Brevet FR2905413A1 — publié le 20080307

L'invention concerne une pièce présentant une symétrie de révolution et destinée à être entraînée en rotation autour de son axe de revolution, cette pièce comprenant une première partie orientée sensiblement radialement, une deuxième partie succédant à la première partie suivant une direction radiale, et une zone de raccordement entre ces parties, cette pièce étant destinée à subir des contraintes locales liées à des efforts de traction orientés radialement, dans ladite zone de raccordement. Une telle pièce peut appartenir, par exemple, à un ensemble rotatif de turbomachine, lesdites première et deuxième parties se succédant suivant une direction radiale par rapport à l'axe de rotation de la turbomachine. Il peut s'agir, notamment, d'un compresseur de turboréacteur, ladite première partie correspondant au voile annulaire d'un des disques de ce compresseur et ladite deuxième partie correspondant soit à l'enveloppe annulaire du compresseur entourant extérieurement ledit voile, soit au noyau annulaire du disque entourant intérieurement ledit voile. Aujourd'hui, les compresseur presseur de turboréacteur sont tels que la zone de raccordement entre ledit voile annulaire et ladite enveloppe (ou ledit noyau) présente un profil formé par une pluralité d'arcs de cercle de rayons de courbure différents, ces arcs étant joints bout à bout ou par des portions rectilignes intermédiaires. La figure 1 est une demi coupe axiale d'un disque de compresseur 3 et montre un exemple de zone de raccordement 5 classique. Cette zone de raccordement 5 s'étend entre le voile 1 du disque 3 et l'enveloppe extérieure 2 qui entoure ce voile 1. Le profil de cette zone 5, en coupe axiale (i.e. le contour de cette zone dans un plan de coupe contenant l'axe de rotation R de la turbomachine), est formé par trois arcs de cercle Cl, C2, C3 de rayons de courbure R1, R2, R3 différents, qui sont joints bout à bout. En rotation, le disque de compresseur 3 est soumis à des efforts de traction orientés suivant une direction radiale par rapport à l'axe de rotation R de la turbomachine. Ces efforts de traction sont symbolisés par les flèches F sur la figure 1 et donnent naissance à des contraintes locales dans la zone de raccordement 5. Or, plus l'intensité maximale de ces 2905413 2 contraintes locales est élevée, plus la durée de vie du disque en fonctionnement est faible. Aussi, l'invention a pour objectif de proposer une pièce du type précité qui, par sa forme, permette de limiter l'intensité maximale des 5 contraintes s'exerçant dans sa zone de raccordement. Cet objectif est atteint par une pièce du type précité, caractérisée en ce que ladite zone de raccordement est telle que son profil, en coupe axiale, présente une variation de courbure continue entre la zone de raccordement et la première partie, ainsi que le long de la zone de 10 raccordement. Dans ses recherches ayant conduit à l'invention, le demandeur a établi que les contraintes s'exerçant dans ladite zone de raccordement se concentraient au niveau des discontinuités de courbure du profil de cette zone, formant ainsi des "pics" de contrainte d'intensité élevée au niveau 15 de ces discontinuités de courbure. La pièce de l'invention est réalisée de manière à ne pas présenter de discontinuité de courbure mais, au contraire, une variation de courbure continue. Les contraintes sont ainsi mieux réparties dans cette zone et on évite les concentrations ou "pics" de contraintes précités. 20 Grâce à l'invention, la pièce réalisée présente une durée de vie accrue car soumise, dans sa zone de raccordement, à des contraintes mieux réparties ayant une intensité maximale limitée. Alternativement, comme la pièce de l'invention est soumise à des contraintes mieux réparties, on peut se permettre de réduire sa résistance 25 mécanique en diminuant sa masse, tout en conservant une durée de vie suffisante pour cette pièce. Or, en aéronautique, la diminution de masse de chaque élément constitutif d'un turboréacteur (notamment le disque de compresseur) est une préoccupation constante. De même, pour d'autres types de machines : turbomachines terrestres ou aéronautiques, moteurs 30 de véhicule, etc. diminuer la masse des pièces constitutives de ces machines et sollicitées mécaniquement, peut présenter un réel intérêt. Selon un exemple de réalisation, ladite zone de raccordement suit une courbe choisie parmi : une courbe polynomiale, une courbe de Bézier, une spline ou une B-spline. 35 Avec ces modèles de courbes mathématiques, il est possible d'obtenir des courbes de courbure continues. 2905413 3 Selon un exemple de réalisation particulier, le profil de ladite zone de raccordement suit une courbe de Bézier, au minimum de degré 2, dont les deux premiers points de contrôle sont dans l'alignement de la première partie. Ce modèle de courbe a l'avantage d'être relativement simple. 5 Selon un exemple de réalisation, afin de répartir le plus possible les contraintes dans la zone de raccordement, la pièce est telle que la variation de courbure est continue entre la zone de raccordement et la deuxième partie. Selon un exemple de réalisation, la pièce de l'invention appartient à 10 un ensemble rotatif de turbomachine et, plus particulièrement, est telle que sa première partie correspond au voile annulaire d'un des disques d'un compresseur (ou d'une turbine) de turbomachine et ladite deuxième partie correspond soit au noyau annulaire du disque entourant intérieurement ce voile, soit à l'enveloppe annulaire du compresseur (ou 15 de la turbine) entourant extérieurement ce voile. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit. Cette description fait référence aux planches figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 est une coupe axiale d'un de disque de compresseur de 20 turbomachine, de type connu ; -la figure 2 est un graphique montrant la répartition des contraintes le long du profil de la zone de raccordement du disque de la figure 1 ; - la figure 3 est une demi-coupe axiale d'une partie d'un compresseur de turbomachine; 25 - la figure 4 est une coupe axiale d'un détail de disque de compresseur selon l'invention ; - la figure 5 est un graphique montrant la répartition des contraintes le long du profil de la zone de raccordement du disque de la figure 4 ; et - la figure 6 représente un exemple de courbe de Bézier plane, du 30 troisième degré. Comme précédemment mentionné, le demandeur a établi que les contraintes s'exerçant dans la zone de raccordement 5 des disques de compresseur 3 de l'art antérieur, se concentraient au niveau des discontinuités de courbure du profil, en coupe axiale, de la zone 5. Sur la 35 figure 1, les positions x0, xl, x2 et x3 de ces discontinuités de courbure sont repérées par rapport à un point de référence 0 le long d'un axe radial 2905413 4 X. L'axe X est perpendiculaire à l'axe de rotation R de la turbomachine et appartient au plan de coupe axial retenu pour la figure 1. Le graphique de la figure 2 représente : en ordonnée, les contraintes mécaniques mesurées en MPa dans et autour de la zone de raccordement 5 5, ainsi que la courbure en m-1 du profil de cette zone 5 ; et en abscisse la distance en mètre (m) par rapport au point 0 sur l'axe X (les positions x0, xl, x2 et x3 sont repérées sur cette axe). L'évolution des contraintes le long du profil de la zone 5 est représentée en trait plein. L'évolution de la courbure le long du profil de la zone de raccordement 5 est représenté en 10 pointillés. Comme l'illustre clairement ce graphique, on relève des pics de contraintes au niveau des positions x0, xl, x2 et x3. Sur la figure 3, on a représenté en demi coupe axiale une partie d'un compresseur de turboréacteur, donné à titre d'exemple. Ce compresseur 15 comprend un rotor 10 et un stator 12. Le rotor comme le stator porte des aubes 20, 22. Les aubes fixes 22 du stator 12 forment de roues fixes ou redresseur. Le rotor 10 est constitué d'un tambour formé d'un empilement de disques 13 à la périphérie desquels sont fixées des aubes mobiles 20 dont lâ tete reste libre. 20 Chaque disque 13 comprend un voile annulaire 11 relié sur son bord intérieur à un noyau annulaire intérieur 12, et sur son bord extérieur à une enveloppe annulaire extérieure 14, commune à plusieurs disques 13. Chaque disque 13 présente une symétrie de révolution par rapport à l'axe de rotation R de la turbomachine, qui est donc l'axe de révolution du 25 disque. Le voile annulaire 11 du disque est orienté radialement (i.e. perpendiculairement) par rapport à l'axe R. Pour chaque disque 13, il existe quatre zones de raccordement au sens de l'invention : deux zones de raccordement 15 entre le voile 11 et l'enveloppe 14 (une de chaque côté du voile 11) et deux zones de 30 raccordement 16 entre le voile 11 et le noyau 12 (une de chaque côté du voile 11). L'invention concerne aussi bien les zones de raccordement 15 que les zones 16. Le voile 11 constitue la première partie d'une pièce selon l'invention et le noyau 12 ou l'enveloppe 14. Le voile 11 et le noyau 12, de 35 même que le voile 11 et l'enveloppe 14 se succèdent suivant une direction X radiale par rapport à l'axe de rotation R de la turbomachine. C'est 2905413 5 suivant cette direction X que s'exercent les efforts de traction représentés par les flèches F sur la figure 4. On notera que le noyau 12, en tant que deuxième partie, succède au voile 11, en tant que première partie, en formant un épaulement (i.e. une marche) par rapport à celle-ci, et que 5 l'enveloppe 14, en tant que deuxième partie, est sensiblement perpendiculaire au voile 11, en tant que première partie. Dans la suite, par souci de simplification, on s'intéresse uniquement à l'une des zones de raccordement 15. Cette zone 15 est représentée sur la figure 3. L'autre zone de raccordement 15, située de l'autre côté du 10 voile 11, présente un profil identique. Avantageusement, les autres zones de raccordement 16 présentent également un profil selon l'invention. La figure 4 est une vue de détail selon IV de la figure 3. On notera que la figure 1 de l'art antérieur est une vue analogue à celle de la figure 4. 15 Sur la figure 4 est représenté un exemple de zone de raccordement 15 selon l'invention, cette zone se situant entre le voile 11 du disque 13 et l'enveloppe 14. Le profil en coupe axiale de cette zone de raccordement 15 (i.e. le contour de cette zone dans un plan de coupe contenant l'axe R) ne présente pas de discontinuité de courbure, conformément UC à l'invention. 20 Dans l'exemple, ce profil suit une courbe de Béziers de degré 3. Une courbe de Béziers de degré 3 est représentée sur la figure 6. Les quatre points de contrôle K, L, M, N de cette courbe sont situés dans le plan de la feuille. La courbe se trace en partant du point K, en se dirigeant vers L et en arrivant au point N avec la direction N-M. En général, la 25 courbe ne passe ni par L, ni par M ; ces points sont simplement là pour donner une information de direction. La distance entre K et L détermine la "longueur" du déplacement dans la direction de L avant de tourner vers N. La forme paramétrique de cette courbe s'écrit : f(t) = K.(1-t)3 + 3.L.t.(1-t)2 + 3.M.t2.(1-t) + N.t3, pour t compris entre 0 et 30 1. Lorsqu'on choisit une courbe de Béziers de degré 3 comme modèle pour le profil de la zone de raccordement 15, les points de contrôle K et N sont respectivement situés à la surface de l'enveloppe 14 et du voile 11. En outre, les points de contrôle M et N doivent être dans l'alignement du 35 voile 11, c'est-à-dire que le point M doit être sur l'axe B passant par le point N et longeant la surface du voile 11. Cette disposition des points de 2905413 6 contrôle M et N garantit une variation de courbure continue entre le voile 11 et la zone de raccordement 15. Avantageusement, les points K et L sont situés dans l'alignement de l'enveloppe 14, c'est-à-dire sur l'axe A, représenté sur la figure 4, qui 5 passe par le point K et longe la surface de l'enveloppe 14. Cette disposition des points K et L garantit une variation de courbure continue entre l'enveloppe 14 et la zone de raccordement 15. La continuité de la courbure le long de la zone de raccordement 15 et, quant à elle, une propriété intrinsèque du modèle de courbe retenu 10 (ici, une courbe de Béziers). Le graphique de la figure 5 est analogue à celui de la figure 2. Sur ce graphique est représenté en pointillé la variation de courbure du profil de la zone de raccordement 15, et les contraintes locales s'exerçant dans la zone 15. La variation de courbure est continue et, comme on peut le 15 Concrètement, cette différence se traduit par le fait que le disque de compresseur 13 de la figure 4 présente une durée de vie supérieure au disque 3 de la figure 1. 20 Pour réaliser la zone de raccordement 15 du compresseur de la figure 4, on réalise une opération d'usinage assistée par ordinateur. Pour éviter toute discontinuité de la zone de raccordement 15 lors de l'usinage, la trajectoire d'outil doit suivre une courbure continue et être comprise dans une tolérance de forme de faible variation. constater, les contraintes sont mieux réparties en ce sens que l'on n'observe pas les pics de contrainte observés sur la figure 2. 25 REVENDICATIONS 1. Pièce (13) présentant une symétrie de révolution et destinée à être entraînée en rotation autour de son axe de revolution (R), cette pièce comprenant une première partie orientée sensiblement radialement (11), une deuxième partie (12; 14) succédant à la première partie suivant une direction radiale, et une zone de raccordement (16; 15) entre ces parties, cette pièce étant destinée à subir des contraintes locales liées à des efforts de traction orientés radialement, dans ladite zone de raccordement, caractérisée en ce que ladite zone de raccordement (16; 15) est telle que son profil, en coupe axiale, présente une variation de courbure continue entre la zone de raccordement et la première partie, ainsi que le long de la zone de raccordement. 2. Pièce selon la revendication 1, dans laquelle le profil de ladite zone de raccordement (16; 15) suit une courbe choisie parmi : une courbe polynomiale, une courbe de Bézier, une spline ou une B-spline. 3. Pièce selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le profil de ladite zone de raccordement suit une courbe de Bézier, au minimum de degré 2, dont les deux premiers points de contrôle sont dans l'alignement de la première partie (11). 4. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans 25 laquelle la deuxième partie (12) succède à la première partie en formant un épaulement par rapport à celle-ci. 5. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle ladite zone de raccordement (16; 15) est telle que la variation de 30 courbure est continue entre la zone de raccordement et la deuxième partie (12; 14). 6. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, appartenant à un ensemble rotatif de turbomachine. 2905413 8 7. Pièce selon la revendication 6, telle que ladite première partie correspond au voile annulaire (11) d'un disque (13) de compresseur ou de turbine, et ladite deuxième partie correspond soit au noyau annulaire (12) 5 du disque entourant intérieurement ce voile, soit à l'enveloppe annulaire (14) entourant extérieurement ce voile. 8. Turbomachine comprenant une pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.