Brevet FR2697189A1 — publié le 19940429

Soudage à friction linéaire d'ailettes Cette invention concerne des moteurs à turbine à gaz et, en particulier, des ensembles de disque à ailettes de compresseur et de turbine de ces moteurs. Dans un moteur à turbine à gaz typique du type à écoulement axial, il existe un certain nombre d'ensembles de disques rota- tifs à ailettes de compresseur et de rotor, chaque ensemble comprenant-une rangée annulaire d'ailettes profilées en aubes fixées à la périphérie d'un disque Les ailettes ou aubes peu- vent être fixées aux disques de nombreuses manières différen 10 tes, comme, par exemple, par façonnage des extrémités de raci- ne des aubes sous une forme de "sapin" et, ensuite, leur pous- sée dans des fentes ménagées dans la périphérie du disque Dans les manières connues de fixer les aubes aux disques, les extré- mités de racine des aubes sont formées selon une configuration15 particulière et le procédé de fixation des aubes à un disque est ainsi essentiellement un procédé mécanique. Un but de la présente invention est de proposer un ensem- ble de disque à ailettes de compresseur ou de turbine, dans le- quel les ailettes sont fixées au disque par une forme de sou-20 dage, de manière à éviter la nécessité de disposer de formes de racines d'aube spécialement configurées et coûteuses à fa- briquer et la nécessité de ménager des fentes dans la périphé- rie du disque. Selon un aspect de l'invention, un procédé de fixation d'une ailette à un disque, l'ailette présentant une racine et une extrémité et le disque présentant un axe de rotation, comprend les étapes de formation de la racine, de façon à comprendre des surfaces convergentes opposées d'agencement d'au moins une fen- te avec des surfaces radialement divergentes dans la périphérie30 du disque, lesdites surfaces divergentes s'étendant sur la pé- riphérie parallèlement à l'axe de rotation, de disposition de la racine dans la fente avec les surfaces convergentes en con- tact avec les surfaces divergentes, d'oscillation de l'aube par rapport au disque, tout en pressant la racine de l'ailette dans la fente, jusqu'à ce que les surfaces convergentes situées sur la racine et les surfaces divergentes situées dans la fen- te atteignent une température à laquelle le matériau des sur- faces convergentes et divergentes devient plastique et arrêt du mouvement oscillant, tout en maintenant la pression, lors de la fusion des surfaces convergentes et divergentes. L'ailette peut être une ailette de turbine ou une aube de compresseur et une pluralité de ces ailettes peut être fixée à un disque, à intervalles réguliers autour de la périphérie du disque. De préférence, il existe des passages de refroidissement s'étendant dans l'ailette et une communication peut être éta- blie avec ces passages au moyen de l'agencement d'un trou dans le disque. Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un ensemble d'ailettes et de disque de turbine ou de compresseur, dans lequel une pluralité d'ailettes est fixée, à intervalles réguliers, autour du disque au moyen du procédé décrit ci- dessus. En faisant osciller l'ailette par rapport au disque et en pressant simultanément l'ailette et le disque ensemble, il apparait que le procédé de l'invention présente certaines si- militudes avec les techniques connues de soudage à friction et de soudage à inertie. Lors d'un soudage à friction, une fusion est produite par la chaleur de friction engendrée en faisant tourner une pièce contre une autre pièce, sous une pression axiale commandée. Les deux surfaces en contact sont chauffées à une température à laquelle le matériau adjacent devient plastique Le mouvez ment relatif entre les deux pièces est ensuite stoppé, l'aube renvoyée à sa position d'origine et une pression de forgeage appliquée, qui comprime légèrement le joint Cette pression peut être supérieure-ou égale à la pression régnant durant le chauffage, sa valeur dépendant du type de matériau soudé. Le soudage à inertie est légèrement différent Le tourillon rotatif solidaire d'un volant d'inertie remplaçable, est éga- lement amené à une vitesse initiale prédéterminée Le cycle de soudage démarre lorsque la partie non-rotative est poussée contre la partie rotative, mais l'alimentation en puissance d'entraînement est interrompue simultanément et donne lieu à une chute rapide de la vitesse de rotation et un arrêt complet de la rotation en une très courte période de temps Par essen- ce, le soudage à inertie tend à fondre les phases de chauffage et de forgeage plutôt rapidement, toute l'énergie stockée étant pratiquement brutalement déversée sur l'interface D'autre part, le procédé de soudage à friction présente usuellement une pé- riode de chauffage distincte avant de procéder au forgeage. Dans le procédé de la présente invention, l'étape de soudage is nécessite un mouvement oscillant relatif des deux parties à relier entre elles et non un mouvement rotatif relatif, comme il se produit durant un soudage à friction et à inertie. L'invention va à présent être décrite plus en détails, à titre d'exemple, en se référant aux dessins annexés, dans les- quels: la figure 1 représente une ailette de turbine connue typique avec une racine en forme de "sapin", la figure 2 représente une ailette de turbine présentant une racine "angulaire" utilisée dans la présente invention, la figure 3 représente la racine "angulaire" de l'ailette de turbine de la figure 2, située dans une fente ménagée dans le disque de turbine, et la figure 4 représente une partie d'un ensemble d'ailettes et de disque de turbine, prêt à être utilisé. En se référant à la figure l des dessins, l'ailette de tur- bine 1 connue comprend un organe de section profilée en aube, réalisé d'un seul tenant avec une racine en sapin 3 La racine présente une série de dentelures 4 s'étendant axialement qui impliquent un usinage très précis, pour assurer que la charge appliquée sur l'ailette est partagée par toutes les dentelures. La fente ménagée dans la périphérie du disque pour retevoir la racine en sapin 3 nécessite un usinage précis analogue. La figure 2 représente une ailette de turbine 6 de la pré- sente invention, réalisée à partir, par exemple, d'un alliage à base de nickel L'ailette comprend un organe à section pro- filée en aube 7 qui est identique, sous tous les aspects à l'organe 2 de la figure 1 Une racine 8 est réalisée d'un seul tenant avec l'organe 7 et dotée d'une forme globalement angu- laire, présentant des surfaces convergentes 9, 10 s'étendant axialement par rapport à l'ailette 6. Comme représenté sur la figure 3, la racine 8 de l'ailette 6 est logée dans une fente 11, formée par des surfaces 12, 13 inclinées dans un disque 14, également réalisé à partir d'un alliage à base de nickel La surface 9 de la racine 8 vient au contact de la surface inclinée 12 de la fente 11, tandis que la surface 10 de la racine vient au contact de la surface in- clinée 13 de la fente 11 Avec le disque 14 fixé pour l'empê- cher de se déplacer, l'ailette 6 est rapidement oscillée et est simultanément pressée radialement vers l'intérieur du dis- que, jusqu'à ce que les surfaces 9 et 10 de la racine 8 et les surfaces 12 et 13 de la fente 11 deviennent plastiques A la suite de cela, le mouvement oscillant de l'ailette 6 est stoppé et la pression radiale sur l'ailette maintenue, jusqu'à ce que les surfaces en contact de la racine et de la fente fondent, l'ailette et le disque formant ainsi un ensemble monobloc. Comme on le conçoit dans la mise en oeuvre, les racines de certaines ou toutes les ailettes dans une rangée quelconque peu- vent être fixées simultanément à un disque. Comme bien connu, les ailettes de turbine peuvent être pour- vues d'un certain nombre de passages 15 s'étendant globalement de la racine à l'extrémité, en vue de faire passer de l'air de refroidissement dans les ailettes durant le fonctionnement du moteur Pour éviter que ces passages ne s'obstruent par le pro- cédé utilisé pour fixer les ailettes au disque, il est avanta. geux de percer un trou 16 dans la jonction entre les deux or- ganes comme représenté sur la figure 4, dans laquelle le trou a été centré au sommet de l'angle de racine L'ébavurage des bords du trou et des passages peut être effectué par un moyen chimique ou autre, si nécessaire. REVENDICATIONS 1 Procédé de fixation d'une ailette à un disque, l'ailette présentant une racine et une extrémité et le disque présentant un axe de rotation, comprenant les étapes de: formation de la racine ( 8) de façon à comprendre des sur- faces convergentes ( 9, 10) opposées, agencement d'au moins une fente ( 11) avec des surfaces ra- dialement divergentes ( 12, 13) dans la périphérie du disque, ces surfaces divergentes ( 12, 13) s'étendant sur la périphérie parallèlement à l'axe, disposition de la racine ( 8) dans la fente ( 11) avec les sur- faces convergentes (-9, 10) en contact avec les surfaces diver- gentes ( 12, 13), oscillation de l'ailette ( 6) par rapport au disque ( 14), tout en pressant la racine ( 8) de l'ailette ( 6) dans la fente ( 11), jusqu'à ce que les surfaces convergentes ( 9, 10) et les surfaces divergentes ( 12, 13) atteignent une température à la- quelle le matériau des surfaces convergentes et divergentes devient plastique, et arrêt du mouvement oscillant, tout en maintenant la pression lors de la fusion des surfaces convergentes et divergentes. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'ailette ( 6) est une aube de turbine. 3 Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'ailette ( 6) est une aube de compresseur. 4 Procédé selon la revendication 1, dans lequel une plura- lité de fentes ( 11) et ailettes ( 6) est prévue, à intervalles réguliers, autour de la périphérie du disque. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque ai- lette ( 6) est pourvue de passages de refroidissement ( 15). 6 Procédé selon la revendication 5, comprenant l'étape de perçage d'un trou ( 16) dans le disque ( 14), de manière à 7. établir une communication avec les passages de refroidisse- ment ( 15). 7 Procédé selon la revendication 6, comprenant l'étape d'ébavurage dudit trou ( 16). 8 Ensemble d'ailettes et de disque de turbine réalisé par un procédé selon la revendication 1. 9 Ensemble d'ailettes et de disque de compresseur réalisé par un procédé selon la revendication 1.