Brevet FR2712630A1 — publié le 19950524

DESCRIPTION ROTOR DZ TVRBOHACHINX SBGXZNTZ L'invention se rapporte aux rotors de turbomachine segmentés, c'est à dire comportant une pluralit de secteurs maintenus assemblés entre eux par des bandages. Les rotors de turbomachine sont des organes circulaires comportant à leur périphérie une pluralité d'aubes faisant office de compresseur ou de turbine. Ces aubes sont traditionnellement amovibles. Le rotor comporte alors un disque à la périphérie duquel est aménagée une pluralité de rainures, les aubes comportant elles-meme chacune une glissière permettant de les assembler dans les rainures du disque. Ces rainures sont réalisées dans des surépaisseurs du disque qui en augmentent la masse sans participer à la résistance. Dans le but d'alléger les rotors, ce qui est particulièrement important dans le cas des turbomoteurs pour aéronefs, la tendance est aujourd'hui de réaliser des rotors comportant des aubes inamovibles. Ces aubes peuvent etre soudées sur le disque, comme dans le brevet FR 2 602 266 ou taillées directement dans la masse de matière du disque. Afin d'alléger encore plus les rotors, on peut aussi réduire le disque à une jante qui devra alors être renforcée par des bandages. Ces bandages sont généralement réalisés dans un matériau composite comportant une matrice métallique renforcée par des fibres à haute résistance, par exemple en carbure de silicium (SIC). La réparation des rotors comportant des aubes inamovibles est problématique. En cas de rupture d'aubes, il faut soit changer le rotor, soit réparer les aubes par soudage, cette. dernière solution n'étant pas toujours possible du fait d'une mauvaise soudabilite de la matière des aubes, ou de la moindre résistance des soudures par rapport à la matière du rotor, alors que cette matière est déjà très sollicitée. Pour remédier à cet inconvénient, on a réalisé des rotors segmentés de turbomachines, c'est à dire comportant une pluralité de secteurs maintenus assemblés par des bandages, ces secteurs supportant eux même des aubes taillées dans la masse de chaque secteur ou soudées à ces secteurs. Le brevet US 4 397 609 décrit un tel rotor. La réparation est aisée : En cas de rupture d'aubes il faut désassembler le rotor par enlèvement des bandages, remplacer les secteurs comportant des aubes rompues par des secteurs valides, et réassembler le rotor en remettant les bandages. Les rotors composés de secteurs maintenus assemblés par des bandages ont généralement un fort balourd provenant des erreurs de positionnement des secteurs les uns par rapport aux autres pendant l'assemblage. Ces erreurs sont aléatoires et non liées à la qualité de l'usinage des secteurs. Le travail ultérieur d'équilibrage est important. Chaque secteur comporte en effet deux flancs par lesquels il est maintenu en appui sur les deux secteurs adjacents sous l'effet de la force centripète exercée par les bandages. Pour assembler le rotor, il faut - disposer les secteurs sur un support comportant un alésage à l'intérieur duquel sont placés les secteurs, cet alésage permettant de les maintenir en cercle et de les positionner radialement, - contracter les secteurs en les refroidissant, par exemple avec de l'azote liquide, - mettre les bandages, qui sont pour leur part restés à la température ambiante, - laisser les secteurs se dilater en revenant progressivement à la température ambiante. Un rotor de turbomachine peut avoir un diamètre de l'ordre de 800mm. On comprend qu'avec un tel diamètre, il est difficile d'avoir un ajustement précis entre les secteurs et l'alésage du support permettant de les maintenir en cercle. Des secteurs peuvent donc se déplacer faiblement pendant les manipulations, le refroidissement ou le réchauffage, et ilS seront ensuite immobilisés dans la position ou ils se trouvent par le serrage des bandages, ce qui provoque ainsi le balourd du rotor. Ce balourd est aléatoire, car il dépend des écarts de positionnement des pièces au moment de l'assemblage. Ainsi, si un rotor est remonté avec les memes composants, il n'aura pas le même balourd. Dans de tels rotors, seuls les bandages assurent la résistance à l'éclatement sous l'effet de la force centrifuge, la masse da matière constituant les secteurs servant essentiellement à tenir les aubes. A) Afin de réduire le balourd aléatoire de ce type de rotor, l'invention propose de disposer sur les flancs des secteurs, par lesquels lesdits secteurs sont en contact et en appui mutuels, des liaisons supplémentaires intersecteurs liant l'un par rapport à l'autre les secteurs adjacents. B) La liaison supplémentaire intersecteurs s'effectue dans une direction radiale à l'axe du rotor, de façon à maintenir pendant l'assemblage les extrémités adjacentes de deux secteurs consécutifs chacun à une distance rigoureusement égale de l'axe du rotor. De plus, cette liaison supplémentaire intersecteurs conserve un degré de liberté à chaque secteur dans la direction axiale, de façon à faciliter l'assemblage des secteurs, et plus précisément de façon à faciliter la disposition côte à côte des secteurs dans l'outillage permettant de les maintenir en position durant l'assemblage. C) Afin d'améliorer aussi la résistance du rotor à l'éclatement sous l'effet de la force centrifuge, la liaison supplémentaire intersecteurs 8 s'effectue aussi avantageusement dans une direction perpendiculaire aux flancs par lesquels les secteurs sont en contact et en appui mutuels, cette dernière liaison empechant lesdites surfaces de s'écarter sous l'effet de la force centrifuge et de l'allongement des bandages. D) Dans un premier mode de réalisation, la liaison supplémentaire intersecteurs est effectuée par tenons et mortaises, c'est à dire que l'un des deux flancs en contact comporte un tenon emboîté avec un jeu minimum dans une mortaise aménagée sur l'autre flanc. Ceci assure la liaison des secteurs l'un par rapport à l'autre suivant une direction radiale à l'axe du rotor. Chacune de ces mortaises débouchant sur au moins une des faces délimitant axialement le rotor. I1 devient ainsi commode de disposer les secteurs dans l'outillage permettant de les maintenir assemblés et d'emboîter en mOme temps les tenons dans les mortaises. E) I1 est avantageux que les faces en contact du tenon et de la mortaise aillent en s'écartant vers le fond de la mortaise par exemple pour former un assemblage dit en "queue d'aronde". Ceci assure la liaison suivant une direction normale aux flancs par lesquels les secteurs du rotor sont en contact et en appui mutuels, ladite liaison renforçant la résistance du rotor à l'éclatement. F) Dans un second mode de réalisation de l'invention, la liaison supplémentaire intersecteurs est effectuée par clavette et mortaises, c'est à dire que chacun des deux flancs en contact de deux secteurs adjacents comporte chacun une mortaise, et qu'une clavette est emboîtée simultanément dans ces deux mortaises avec un jeu minimum, de façon à assurer la liaison suivant une direction radiale à l'axe du rotor. I1 est avantageux de faire déboucher les mortaises au moins sur l'une des deux faces délimitant axialement le rotor, de façon & pouvoir insérer les clavettes dans les mortaises une fois que les secteurs ont été disposés côte à côte dans l'outillage permettant de maintenir les secteurs pendant l'assemblage du rotor. G) Comme dans le premier mode de réalisation, et afin d'assurer la liaison suivant une direction normale aux flancs par lesquels les secteurs du rotor sont en contact et en appui mutuels, il est avantageux que les faces en contact de la clavette avec les deux mortaises dans lesquelles elle est insérée aillent en s'écartant vers le fond de chacune des mortaises, par exemple pour former un montage en "double queue d'aronde". H) Dans le cas de la liaison par clavette et mortaises, il est aussi avantageux de disposer les bandages sur les faces délimitant axialement le rotor, par exemple à l'intérieur de rainures annulaires aménagées dans lesdites faces du rotor. Ces bandages passent à la hauteur des clavettes et maintiennent celles-ci prisonnières dans les mortaises dans lesquelles elles sont insérées. I) Dans l'un ou l'autre des deux modes de réalisation de l'invention, et afin d'éviter le soudage par diffusion de matière des surfaces en contact des composants du rotor, pendant le fonctionnement à chaud du rotor, ce qui entrafnerait l'immobilisation définitive de ses composants entre eux, les surfaces en contact des secteurs entre eux ainsi que des secteurs avec les tenons, les clavettes et les bandages seront avantageusement revêtues d'une couche d'oxyde métallique telles de l'alumine A1203 ou de l'yttrine Y2 03. L'invention et les avantages qu'elle présente seront mieux compris avec la description détaillée de deux exemples de réalisation et d'un exemple d'assemblage du rotor, donnés à titre non limitatif de l'invention, ainsi que des figures annexées. La figure 1 représente un premier mode de réalisation du rotor avec des liaisons supplémentaires intersecteurs par tenons et mortaises. La figure 2 représente en perspective un secteur du rotor de la figure 1. La figure 3 représente un second mode de réalisation du rotor avec des liaisons supplémentaires intersecteurs par clavettes et mortaises. La figure 4 représente un exemple d'outillage pour monter un tel rotor. On notera sur la section de la jante a été augmentée sur ces figures, de façon à en améliorer la lisibilité. On se reportera en premier lieu à la figure 1 illustrant un premier mode de réalisation de l'invention. Le rotor 1 comporte une jante 2 circulaire et centrée sur l'axe de rotation 3 du rotor 1. La jante 2 est segmentée en secteurs 4 maintenus assemblés par des bandages 5. Chaque secteur 4 comporte sur sa surface extérieure 6 des aubes 7. Chaque secteur 4 comporte à chacune de ses extrémité un flanc 8 par lesquels il est en contact et en appui mutuels sur les flancs 8 des deux autres secteurs 4 du rotor 1 qui lui sont adjacents. Les flancs 8 des secteurs 4 sont donc en contact deux à deux. Sur chaque paire de flancs 8 en contact deux à deux est disposée une liaison supplémentaire intersecteur 9. La liaison 9 comporte un tenon 10 sur l'un des flancs 8, ledit tenon 10 étant inséré dans une mortaise 11 sur le second flanc 8 en contact avec le flanc 8 précédant. Le tenon 10 et la mortaise 11 sont en contact avec un jeu minimum par leurs surfaces latérales 12, lesdites surfaces 12 allant en s'écartant l'une de l'autre vers le fond de la mortaise 13. Dans cet exemple, le tenon 10 et la mortaise 11 constituent un emboltement dit en "queue d'aronde". La liaison entre deux secteurs 4 consécutifs s'effectue suivant une direction radiale 14 à l'axe de rotation 3 du rotor, et suivant une direction 15 perpendiculaire aux flancs 8 en contact de deux secteurs 4 adjacents. On se reportera maintenant à la figure 2. Le secteur 4 est délimité latéralement par les deux flancs 8 opposés et axialement par les deux faces 16 radiales à l'axe du rotor et adjacentes aux flancs 8. Sur chacune desdites faces 16 est aménagée une rainure annulaire 17 en arc de cercle centré sur l'axe du rotor 3 et débouchant sur les deux flancs 8, lesdites rainures 17 ayant une section complémentaire à celle des bandages et étant destinées à les recevoir. Sur l'un des flancs 8 est disposé le tenon 10, et sur l'autre flanc 8 est aménagée la mortaise 12 de forme complémentaire au tenon 10 et équidistante à ce tenon 10 par rapport à l'axe de rotation du rotor. Le tenon 10 et la mortaise 11 sont parallèles à l'axe du rotor et aboutissent jusqu'aux faces latérales 16. On se reportera maintenant à la figure 3. La liaison supplémentaire intersecteur 9 comporte dans un second mode de réalisation de l'invention deux mortaises 11 dans chacun des flancs 8 par lesquels deux secteurs 4 sont en contact et appui mutuels, ainsi qu'une clavette 10' et les deux mortaises 11 vont en s'écartant vers les fonds 13 desdites mortaises 11. Les mortaises 11 débouchent sur au moins une face 16 de chaque secteur 4 pour permettre l'introduction de la clavette 10'. La rainure 17 sur la face 16 passe à la hauteur de la mortaise 11 débouchant sur ladite face 16. La clavette 10 est ainsi rendue prisonnière dans les mortaises 11 par le bandage 5 une fois que celui-ci est disposé dans la rainure 17. Dans le cas où le rotor fonctionne à une température élevée pour le matériau choisi, par exemple 4000C pour un rotor en TA6V, la pression exercée sur les surfaces en contact des pièces, soit les secteurs 4 entre eux, les secteurs 4 avec les tenons 10 ou les clavettes 10' et les secteurs 4 avec les bandages 5, peut provoquer l'immobilisation des pièces entre elles par soudage-diffusion de la matière sur les surfaces en contact. Pour éviter cet inconvénient, les surfaces en contact peuvent être recouvertes d'un revêtement passivant, par exemple de l'alumine A12 03 ou de l'yttrine Y2 03. On se reportera maintenant à la figure 4. Les secteurs 4 du rotor 1 sont disposés dans l'outillage 20 permettant de les assembler. L'outillage 20 se compose d'un récipient 21 recouvert d'un couvercle 26 fixé à lui par exemple par des vis. Le récipient 21 comporte un fond 22 sur lequel les secteurs 4 sont disposés côte à côte par l'une de leurs faces latérales. Le fond 22 comporte un évidement circulaire 23 centré sur l'axe 3 du rotor 1, cet évidement 23 ayant un diamètre supérieur au diamètre du bandage 5 afin de permettre son passage. Le fond 22 est limité à sa périphérie par une surface cylindrique concave 24, qui peut être considérée comme un alésage, sur laquelle viendra s'appuyer la surface extérieure 6 des secteurs 4, de façon à maintenir lesdits secteurs 4 en cercle. La surface cylindrique concave 24 comporte elle-même un évidement circulaire 25 débouchant du côté du couvercle 26. L'évidement circulaire 25 à un diamètre et une profondeur suffisante, de sorte qu'il subsiste un espace entre les aubes 7 et les parois de l'évidement 25 lorsque les secteurs 4 sont disposés dans le récipient 21. Les secteurs 4 étant disposés dans le récipient 21, le couvercle 26 est alors fixé sur le récipient 21 et permet ainsi de maintenir les secteurs en place pendant les manipulations de l'outillage 20 et du rotor 1 qu'il contient. le couvercle 26 comporte lui aussi un évidement 27 concentrique à l'axe du rotor 3, ledit évidement ayant un diamètre supérieur au diamètre extérieur du bandage 5 pour permettre son passage. Le montage des bandages 5 est bien connu de l'homme de métier : les secteurs 4 sont refroidis par exemple avec de l'azote liquide. Ce refroidissement provoque la contraction des secteurs 4 et la diminution du diamètre du cercle intérieur formé par les rainures annulaires 17, les deux bandages 5 qui sont restés à la température ambiante sont introduits dans les rainures 17 en passant par les évidements 23 et 27. Les secteurs 4 reviennent ensuite à la température ambiante, ce qui provoque leur dilatation et le serrage de l'ensemble des secteurs 4 par les bandages 5. Les avantages de 1'invention apparaissent maintenant clairement Du fait que le jeu entre les tenons 10 ou les clavettes 10' et les mortaises 11 est très faible comparativement au jeu entre les surfaces extérieures 6 des secteurs 4 et la surface cylindrique 24 de l'outillage d'assemblage 20, les secteurs 4 sont positionnés radialement les uns par rapport aux autres avec une grande précision au moment de l'assemblage, ce qui réduit le balourd du rotor 1 et le travail d'équilibrage de ce rotor. la liaison supplémentaire intersecteurs 9 facilite aussi l'introduction dans la bonne position des secteurs 4 dans l'outillage 20 et simplifie la réalisation de ce dernier. La liaison supplémentaire intersecteur 9 est aussi un moyen d'augmenter la résistance à ltéclatement du rotor 1 sans augmenter la masse de ce rotor, ce qui est particulièrement appréciable dans le cas des turbomoteurs pour aéronefs. La portée de l'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation qui viennent d'être donnés, En particulier Les tenons 10, les clavettes 10' et les mortaises 11 peuvent avoir une résistance améliorée en remplaçant le profil dit "en queue d'aronde" par tous les profils utilisés pour les attaches des aubes amovibles sur les rotors, lesdits profil8 étant conçus pour présenter une résistance élevée. Les tenons, clavettes et mortaises peuvent aller en se resserant vers l'une des faces 16 des segments 4 et en s'écartant vers l'autre face 16. Le jeu est alors important lorsque l'on commence à emboîter le tenon ou la clavette dans la portaise, pour une plus grande commodité d'assemblage, ce jeu devenant nul ou négatif lorsque l'emboltement est terminé, pour un meilleur positionnement des secteurs entre eux. Les tenons, clavettes et mortaises peuvent être obliques par rapport à l'axe de rotation du rotor, en fonction de la géométrie du rotor. On remarquera aussi que l'une ou les deux faces laterales 16 peuvent n'être que des prolongements obliques de la surface extérieure 6, sur lesquels débouchent les rainures 17, ces surfaces 16 délimitant ainsi la veine de fluide au meme titre que la surface 6. Ce peut être le cas par exemple dans une turbomachine avec une circulation axiale du fluide, l'une des surfaces 16 ayant la forme par exemple d'un tronc de cône dont le plu8 grand diamètre se raccorde à la surface 6. Ce peut être aussi le cas d'une turbomachine dans laquelle le fluide circule radialement, les surfaces 6 et 16 pouvant alors ne constituer qu'une seule surface radiale. REVENDICATIONS 1. Rotor de turbomachine segmenté, ledit rotor (1) comportant une jante (2) circulaire autour de l'axe de rotation (3) du rotor (1), ladite jante (2) étant composée d'une pluralité de secteurs (4) maintenus assemblés par au moins un bandage (5), lesdits secteurs (4) étant disposés en cercle pour former ladite jante (2), lesdits secteurs (4) comportant chacun deux flancs (8) opposes par lesquels il sont en contact et en appui mutuels, lesdits secteurs (4) comportant aussi deux faces (16) délimitant axialement le rotor (1), caractérisé en ce que des liaison supplémentaires intersecteurs (9) liant l'un par rapport à ltautre les secteurs (4) adjacents sont disposées sur les flancs (8) par lesquels les secteurs (4) sont en contact et en appui mutuels. 2. Rotor de turbomachine segmenté suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison supplémentaire intersecteurs (9) s'effectue dans une direction radiale (14) à l'axe (3) de rotation du rotor (1), et en ce que ladite liaison supplémentaire intersecteurs (9) conserve un degré de liberté dans la direction axiale, pour faciliter l'assemblage des secteurs (4) entre eux. 3. Rotor de turbomachine segmenté conforme à la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la liaison supplémentaire intersecteurs (9) s'effectue dans une direction (15) perpendiculaire aux flancs (8) par lesquels les secteurs (4) sont en contact et en appui mutuels. 4. Rotor de turbomachine segmenté conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la liaison supplémentaire intersecteurs (9) comporte sur l'un des deux flancs (8) en contact un tenon (10) embotté avec un jeu minimum dans une mortaise (11) aménagée sur l'autre flanc (8), de façon à assurer la liaison suivant la direction (14) radiale à l'axe du rotor (1), et en ce que ladite mortaise (11) débouche au moins sur l'une des faces (16) délimitant axialement le rotor (1), afin d'en faciliter l'assemblage. 5. Rotor de turbomachine segmenté conforme à la revendication 4 caractérisé en ce que les faces en contact (12) du tenon (10) avec la mortaise (11) vont en s'écartant vers le fond (13) de la mortaise (11) ce qui assure ainsi la liaison suivant une direction (15) perpendiculaire aux flancs (8) par lesquels les secteurs (4) du rotor (1) sont en contact et en appui mutuels. 6. Rotor de turbomachine segmenté conforme à la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la liaison supplémentaire intersecteurs (9) comporte une mortaise (11) sur chacun des deux flancs (8) en contact de deux secteurs (4) adjacents, ainsi qu'une clavette (10') emboîtée simultanément et avec un jeu minimum dans les deux mortaises (11), de façon à assurer la liaison suivant la direction radiale (14) à l'axe du rotor (1), et en ce que lesdites mortaises (11) débouchent sur au moins l'une des deux faces (16) délimitant axialement le rotor (1), afin de faciliter l'introduction desdites clavettes (10') dans lesdites mortaises (11) pendant l'assemblage des secteurs (4) du rotor (1). 7. Rotor de turbomachine segmenté conforme à la revendication 6 caractérisé en ce que les faces en contact (12) de la clavette (10') avec les deux mortaises (11) vont en s'écartant vers le fond (13) de chaque mortaise (11), de façon à assurer la liaison suivant la direction (15) perpendiculaire aux flancs (8) en contact. 8. Rotor de turbomachine segmenté conforme à la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que les bandages (5) sont disposés sur les faces (16) délimitant axialement le rotor (1) et en ce que lesdits bandages (5) passent a la hauteur des clavettes (10'), afin de maintenir lesdites clavettes (10') prisonnières dans les mortaises (11). 9. Rotor de turbomachine segmenté conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les surfaces en contact mutuel des secteurs (4) avec les tenons (10), les clavette (10') et les bandages (5) sont revetues d'une couche d'oxyde métallique, afin d'éviter le soudage par diffusion de matière desdites surfaces en contact pendant le fonctionnement à chaud du rotor.