Brevet FR2739658A1 — publié le 19970411

ARBRE DE TURBINE BIMÉTALLIQUE DESCRIPTION L'invention a pour objet un arbre de turbine bimétallique. Un arbre de turbine tel que celui de la figure 1 doit satisfaire à des exigences diverses et parfois contradictoires. Cet arbre 1 relie un compresseur à basse pression 2 à une turbine à basse pression 3 au-delà d'une chambre de combustion 4 et d'un compresseur à haute pression 5. Il est donc de grande longueur et soumis à d'importants couples, surtout aux changements de régime du compresseur à basse pression 2. Il en résulte des contraintes et des déformations de torsion élevées. L'extrémité de l'arbre 1 proche de la turbine à haute pression 3 est soutenue par deux roulements 6 et 7. Contrairement au reste de l'arbre où les efforts sont importants mais plutôt uniformes hormis aux changements de régime, et de sens invariable, ces zones sont soumises à des chargements de nature cyclique. Il en va de même dans une mesure moindre de l'extrémité opposée de l'arbre 1, contre le compresseur à basse pression 2, qui est caractérisée par des cannelures 9 qui l'unissent à ce compresseur et plus précisément à une partie du compresseur en forme d'embouchure cylindro-conique qui porte d'autres roulements 8 de la ligne d'arbres. Les cannelures 9 sont chargées par chocs alternés. On observe que ces extrémités sont soumises à des risques importants de rupture par fatigue tout en étant beaucoup moins chargées en torsion. L'objet de l'invention est de présenter un arbre conçu spécialement pour cette situation, après avoir reconnu la nature hétérogène des efforts qui le sollicitent et un certain défaut de concordance entre les performances pour ces deux catégories de sollicitation des alliages couramment utilisés. L'arbre de turbine conforme à l'invention est bimétallique et composé d'un assemblage unitaire -pouvant résulter d'un soudage par friction inertielled'une partie principale ou partie de fût allongée, en une matière résistant à la torsion, et d'une extrémité de support de palier, en une matière résistant à la fatigue. Conformément aux remarques qui précèdent, l'autre extrémité ou extrémité de raccordement peut aussi être construite en une matière résistant à la fatigue. Elle forme alors elle aussi un assemblage unitaire avec le reste. L'invention va maintenant décrite en liaison avec les figures suivantes la figure 1 déjà décrite est une vue générale de turbine où l'invention prend place, la figure 2 représente une réalisation de l'invention, et la figure 3 donne une variante d'exécution de l'invention. L'arbre 1, mieux visible à la figure 2, est composé d'un fût 10 qui s'étend sur presque toute sa longueur depuis les cannelures 9 vers l'aval de la turbomachine jusqu'à une partie d'extrémité 11 adjacente à la turbine à basse pression 3 et qui porte en particulier des surfaces 12 et 13 de support des roulements 6 et 7 et une bride 14 percée de trous de boulons 15 pour l'attacher à la turbine 3. Ces deux parties 10 et 11 sont unies par une soudure de raccordement 16 circulaire. Le fût 10 peut, à titre d'exemple, être construit en un alliage appelé Maraging 300, qui est un alliage de fer complété, en masse, de 0,01% de carbone, 18% de nickel, 9% de colbalt, 5% de molybdène, 0,7% de titane et 0,1% d'aluminium. Cet alliage a de bonnes propriétés de tenue à la torsion. Pour la partie d'extrémité 11, on propose du Maraging 250, c'est-à-dire un alliage de fer complété en masse de 0,02% de carbone, 18% de nickel, 8% de cobalt et 5% de molybdène, qui donne une résistance accrue à la fatigue. D'autres alliages peuvent évidemment être proposés, de même que d'autres procédés d'assemblage des deux parties. Les principaux paramètres du soudage ont été ici une pression surfacique d'environ 225 MPa, une vitesse de soudage de 217 mètres à la minute entre les pièces et une durée de 18 secondes. Un traitement thermique a été accompli pour améliorer la liaison métallique. Il a consisté en une mise en solution solide à 790"C pendant une heure, puis en un revenu à 455"C pendant neuf heures, le tout à l'air. Comme les cannelures 9 sont elles aussi exposées à la fatigue, on peut soustraire l'extrémité opposée à la partie d'extrémité 11 du fût 10 et la construire aussi en Maraging 250, ce qu'on représente à la figure 3, où les cannelures 9 appartiennent à une extrémité de raccordement 17 au compresseur à basse pression 2, qui est raccordé par une seconde soudure circulaire 18 à un fût 10' un peu plus court que le précédent 10 mais semblable par ailleurs. Le soudage est identique au précédent. On espère une plus longue durée des arbres ainsi construits, ou, en modifiant les dimensions des arbres existants, un gain de masse ou une augmentation du diamètre de soufflante, toutes choses égales par ailleurs. L'invention est possible pour d'autres arbres de turbomachine, mais a été exposée pour l'arbre unissant le compresseur 2 à la turbine 3 à basse pression, qui est le plus long et donc celui qui la justifie le mieux. REVENDICATIONS 1. Arbre de turbine (1), caractérisé en ce qu'il est composé d'un assemblage unitaire d'une partie principale allongée (10) en une matière résistant à la torsion et d'une extrémité de support (11) de paliers (6, 7) en une matière résistant à la fatigue. 2. Arbre de turbine, caractérisé en ce qu'il est composé d'un assemblage unitaire d'une partie principale allongée (10') en une matière résistant à la torsion, d'une extrémité de support (11) de paliers (6, 7) en une matière résistant à la fatigue et d'une extrémité opposée de raccordement (17) en une matière résistant à la fatigue. 3. Arbre de turbine suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie principale est unie aux extrémités par un soudage par friction. 4. Arbre de turbine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière résistant à la torsion est un alliage de fer complété, en masse, de 0,01% de carbone, 18% de nickel, 9% de cobalt, 50 de molybdène, 0,7% de titane et 0,1% d'aluminium et la matière résistant à la fatigue est un alliage de fer complété, en masse, de 0,02% de carbone, 18% de nickel, 8% de cobalt et 5% de molybdène. 5. Arbre de turbine suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est exposé à un traitement thermique de mise en solution et à un revenu.