Brevet FR2921408A1 — publié le 20090327

JONC D'ETANCHEITE OU D'AMORTISSEMENT DES VIBRATIONS POUR ROTOR DE TURBOMACHINE La présente invention concerne un jonc annulaire destiné à être monté sur un rotor de turbomachine à des fins d'étanchéité et/ou d'amortissement des vibrations. Des joncs annulaires sont couramment utilisés pour assurer l'étanchéité entre différentes pièces d'une turbomachine. Par exemple, dans le cas d'un disque de rotor portant une pluralité d'aubes, des joncs annulaires sont montés dans des gorges annulaires de la surface périphérique du disque, en amont et/ou en aval des aubes, sous les plates-formes des aubes, pour assurer l'étanchéité entre les aubes et la veine du flux gazeux. En fonctionnement, ce jonc s'expanse radialement vers l'extérieur sous l'effet des forces centrifuges et vient en contact avec les plates-formes et la surface périphérique extérieure du disque. Ce jonc est en général en élastomère et présente une tenue thermique limitée au-delà de 200°C, ce qui limite son utilisation à des zones de la turbomachine où la température n'excède pas cette valeur. Dans les compartiments à température plus élevée, on a recours à des segments de jonc métalliques agencés bout à bout. Cependant, cette solution n'est pas satisfaisante car l'étanchéité inter-segments n'est pas parfaite et de l'air circule entre les segments, ce qui diminue les performances de la turbomachine. Il est également connu d'amortir les vibrations d'un rotor de turbomachine au moyen d'un jonc métallique fendu monté élastiquement contraint dans une gorge annulaire du rotor dont l'ouverture est tournée vers l'axe de rotation du rotor. Le frottement du jonc fendu dans la gorge annulaire lors du fonctionnement de la turbomachine permet d'amortir les vibrations par dissipation d'énergie. L'utilisation de ce type de joncs amortisseurs pose plusieurs problèmes. En effet, l'intervalle séparant les extrémités du jonc crée un balourd en rotation et lorsque le rotor est équipé de plusieurs anneaux fendus d'amortissement des vibrations, le balourd total peut dépasser les normes admissibles pouvant empêcher la certification de la turbomachine. De plus, la pression exercée par le jonc sur le fond de la gorge n'est pas axisymétrique, ce qui limite la maîtrise des vibrations du rotor en fonctionnement. Enfin, les joncs amortisseurs connus sont réalisés dans des alliages conventionnels tels que ceux à base de nickel et sont difficiles à positionner dans les gorges annulaires. Des joncs annulaires métalliques fendus sont également utilisés dans des paliers à roulements, pour assurer une étanchéité partielle d'un film d'huile formé entre une extrémité d'un arbre de rotation et une bague extérieure d'un roulement, permettant ainsi l'amortissement des vibrations radiales du palier en fonctionnement qui sont dues au balourd de l'arbre de rotation. Une circulation de l'huile est prévue pour éviter son échauffement, l'huile passant par les fentes des joncs annulaires. Cependant, ce type de jonc métallique fendu ne permet pas de contrôler précisément le débit d'huile qui s'échappe par la fente. En effet, le jonc subit en fonctionnement des déformations qui modifient le débit d'huile passant par la fente, ce qui ne permet pas de bien maîtriser l'amortissement des vibrations radiales. L'invention à notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces différents problèmes. Elle propose à cet effet, un jonc annulaire d'étanchéité et/ou d'amortissement des vibrations pour rotor de turbomachine, le jonc étant destiné à être logé clans une gorge annulaire du rotor, caractérisé en ce que le jonc est continu et réalisé en matériau métallique super-élastique tel qu'un alliage à mémoire de forme. L'utilisation d'un jonc annulaire continu permet d'amortir au mieux les vibrations du rotor en fonctionnement en répartissant la pression du jonc sur l'ensemble de la circonférence de la gorge, sans engendrer de balourd supplémentaire. Un tel jonc en matériau métallique permet d'améliorer l'étanchéité dans les environnements à forte température. En effet, le jonc étant continu, il n'est plus nécessaire d'utiliser plusieurs segments métalliques agencés bout à bout. Enfin, la superélasticité des joncs permet leur installation facilement par contraction ou par extension en différentes zones d'un rotor de turbomachine et leur confère des performances d'amortissement nettement 10 améliorées par rapport à la technique antérieure. Selon une autre caractéristique de l'invention, le jonc est réalisé dans un matériau présentant une capacité de déformation élastique maximale comprise entre 2 % et 10 %. Le jonc peut être réalisé dans un alliage à base de cuivre, ce qui lui 15 confère un bon comportement en frottement. Ce type de matériau présente une transformation austéno/martensitique réversible, ce qui permet de bien absorber les vibrations. Avantageusement, l'alliage comprend également de l'aluminium et du béryllium. 20 Selon une autre caractéristique de l'invention, le jonc est réalisé dans un matériau résistant à des températures élevées, de l'ordre de 400°C. Le jonc peut avoir une section de forme circulaire et de diamètre de l'ordre de 1 à 3 millimètres. Il peut également avoir une section de forme 25 rectangulaire ou carrée. L'invention concerne également un rotor, en particulier de turbomachine, comprenant au moins un disque portant à sa périphérie une pluralité d'aubes et au moins un jonc annulaire d'étanchéité et/ou d'amortissements des vibrations tel que décrit précédemment, logé dans 30 une gorge annulaire du rotor. Selon les cas, la gorge annulaire est orientée radialement vers l'intérieur de la turbomachine ou radialement vers l'extérieur. L'importante élasticité du jonc autorise son élongation élastique de façon suffisante pour l'insérer autour du rotor dans une gorge annulaire orientée radialement vers l'extérieur. A la différence de la technique antérieure où le positionnement d'un jonc annulaire dans une gorge orientée vers l'extérieur nécessitait de monter un anneau fendu dans la gorge puis de le souder ou braser dans la gorge pour relier ses extrémités et réduire le balourd en rotation, un jonc continu selon l'invention peut être inséré autour du rotor dans une telle gorge par simple allongement élastique. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : û la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un rotor de turbomachine équipé de joncs d'amortissement des vibrations la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une roue de turbomachine équipée de joncs d'étanchéité ; La figure 3 est une vue schématique en perspective et en coupe axiale d'une partie d'un arbre guidé dans un palier équipé de joncs annulaires. En figure 1, on a représenté une partie d'un compresseur haute-pression de turboréacteur, qui comprend un rotor 10 comportant un disque aubagé monobloc 12 fixé par des boulons 14 à un autre disque aubagé monobloc 16 entraîné en rotation par un arbre non représenté, le compresseur haute-pression comprenant également des étages d'aubes fixes 18 de redressement disposés en alternance avec les disques 12 et 16 du rotor, ces derniers étant équipés de joncs 20 d'amortissement des vibrations qui sont montés dans des gorges annulaires 22, 24 formées dans les plates-formes 26 des disques 12, 16 et dans des parois cylindriques 28 solidaires de ces disques. Les joncs 20 sont montés précontraints dans ces gorges, en étant donc resserrés sur eux-mêmes, de façon à exercer une pression sur les fonds des gorges 22, 24. L'utilisation de joncs amortisseurs continus en matériau métallique super-élastique du type alliage à mémoire de forme permet d'éviter les inconvénients liés au balourd en rotation des joncs fendus et permet également de mieux répartir la pression des joncs sur toute la circonférence des gorges. Les gorges annulaires 22 ont des ouvertures orientées radialement vers l'intérieur, c'est-à-dire vers l'axe de rotation 30, tandis que les gorges annulaires 24 ont des ouvertures orientées radialement vers l'extérieur. Le positionnement d'un jonc 20 dans la gorge 24 est réalisé en exerçant une traction sur celui-ci afin que son diamètre interne soit plus grand que le diamètre externe de la bride annulaire de fixation 32 des disques 12 et 16. Ceci est rendu possible par l'utilisation d'un jonc en matériau super-élastique. Dans la technique antérieure, le positionnement d'un jonc annulaire dans une gorge annulaire orientée radialement vers l'extérieur n'était réalisable qu'en utilisant un jonc fendu et en soudant ou brasant le jonc fendu dans la gorge, ce qui limitait fortement ses capacités d'amortissement. En figure 2 est représenté partiellement un disque 34 de rotor de compresseur basse-pression comprenant une rainure annulaire 36 de montage d'une série annulaire d'aubes 38. La rainure 36 a de façon classique une section transversale du type en queue d'aronde ou analogue et comprend une ou plusieurs fenêtres radiales, non visibles, réparties sur le pourtour du disque et permettant l'introduction des pieds 40 des aubes 38 dans la rainure 36. Les pieds ont une forme complémentaire de celle de la rainure 36 afin de maintenir radialement les aubes. Des gorges annulaires 41 sont pratiquées dans la périphérie du disque et de chaque côté de la rainure 36. L'étanchéité du montage des aubes sur le disque est assurée en introduisant dans les gorges annulaires 41 des joncs continus super-élastiques 42. Les aubes sont ensuite montées les unes après les autres dans la rainure annulaire 36 et sont juxtaposées circonférentiellement autour de l'axe du rotor. Les pieds 40 des aubes sont raccordés aux pales 44 des aubes par des plates-formes 46 qui sont alignées circonférentiellement les unes avec les autres et entourent extérieurement les gorges 41 et les joncs annulaires 42. En fonctionnement, les joncs 42 s'allongent et s'expansent radialement vers l'extérieur sous l'effet des forces centrifuges et s'appuient sur des surfaces internes des plates-formes 46 des aubes 38 (figure 2), pour empêcher un passage d'air entre les plates-formes 46 des aubes 38 et la périphérie externe du disque 34, et/ou pour exercer une pression sur les plates-formes et amortir les vibrations des aubes. L'utilisation de joncs 42 en matériau métallique super-élastique autorise leur installation dans toutes les zones de la turbomachine y compris celles où règnent une température élevée, ce qui permet de diminuer fortement les fuites d'air dues à l'utilisation de segments métalliques. Ces joncs annulaires continus présentent une élasticité voisine de celle des élastomères, ce qui permet d'assurer une bonne déformation des joncs et leur plaquage sous les plates-formes sous l'effet de la force centrifuge en fonctionnement. En figure 3 est représenté une autre variante d'utilisation des joncs selon l'invention. La référence 48 désigne un arbre de rotor d'une turbomachine, qui est centré et guidé en rotation dans un palier à roulement 50 et dont une bague extérieure 52 est montée dans un logement cylindrique 54 d'un carter 56 qui constitue autour de la bague 52 un amortisseur à compression de film d'huile (squeeze film damper). Un espace annulaire 58 est délimité autour de la bague 52 par la surface cylindrique 60 du logement 54 et est fermé axialement par des éléments annulaires d'étanchéité 62 montés dans des gorges annulaires 64 à section rectangulaire de la surface cylindrique externe de la bague 52. L'espace annulaire 58 est rempli d'huile amenée par un orifice d'entrée 66 formé par un perçage radial du carter 56 et débouchant dans une gorge annulaire 68 de la surface cylindrique 60 autour de la bague 52. Dans la technique antérieure, les joncs 62 comprenaient une fente qui constituait un orifice de sortie d'huile de sorte que l'huile amenée dans l'espace annulaire 58 par le ou les perçages radiaux 66 du carter pouvait circuler dans cet espace annulaire et sortir à l'extérieur de cet espace par les fentes des joncs pour être refroidie. Comme mentionné précédemment, l'utilisation de joncs métalliques 10 fendus ne permet pas de maîtriser le débit d'huile circulant par les fentes des joncs, car l'espacement entre les extrémités des joncs fendus est difficile à calibrer. La présente invention permet de résoudre ce problème grâce au fait que le jonc annulaire 62 est métallique continu et réalisé dans un matériau 15 super-élastique. L'évacuation de l'huile amenée par les orifices 66 peut alors être réalisée par des trous calibrés formés dans le jonc. L'élasticité du jonc 66 garantit un bon positionnement des joncs dans les gorges annulaires 64 et ses propriétés amortissantes permettent d'améliorer l'amortissement des vibrations radiales. 20 Les joncs utilisés dans les différentes variantes décrites précédemment ont une déformation élastique maximale comprise entre 2% et 10%. Le matériau utilisé pour réaliser les joncs annulaires peut être un alliage de cuivre, et plus particulièrement un alliage comprenant du cuivre, 25 de l'aluminium et du béryllium. Cet alliage particulier présente une déformation élastique maximale de l'ordre de 4 % et est facilement usinable. Ce type de matériau présente l'avantage de résister à des températures élevées, de l'ordre de 400°C, ce qui permet de l'utiliser en 30 différentes zones d'une turbomachine. Les joncs annulaires selon l'invention peuvent avoir une section de forme cylindrique, rectangulaire ou carrée selon les modes de réalisation précédemment décrits. L'invention n'est cependant pas limitée à ces seules formes. En particulier dans le cas où les gorges annulaires doivent prendre des formes différentes des formes semi-circulaires ou rectangulaires, représentées aux dessins, le jonc peut également avoir toute forme appropriée qui serait nécessaire pour assurer la fonction d'étanchéité et/ou d'amortissement de vibrations. Dans le cas où la section du jonc est de forme circulaire, le diamètre de celle-ci peut être compris entre 1 et 3 millimètres. L'invention peut être utilisée dans un domaine autre que celui de l'aviation et en particulier dans le domaine automobile où des joncs d'étanchéité et/ou d'amortissement de vibrations peuvent d'avérer très utiles. REVENDICATIONS 1. Jonc annulaire d'étanchéité (42) et/ou d'amortissement des vibrations (20) pour rotor de turbomachine, destiné à être logé dans une gorge annulaire (22, 41, 64) du rotor, caractérisé en ce que le jonc (42, 20) est continu et réalisé en matériau métallique super-élastique du type alliage à mémoire de forme 2. Jonc selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est réalisé dans un matériau présentant une capacité de déformation élastique 10 maximale comprise entre 2 % et 10 %. 3. Jonc selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est réalisé dans un alliage à base de cuivre. 4. Jonc selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est réalisé dans un alliage comprenant du cuivre, de l'aluminium et du 15 béryllium. 5. Jonc selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il a une section de forme circulaire 6. Jonc selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il a une section de diamètre de l'ordre de 1 à 3 millimètres. 20 7. Jonc selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il a une section de forme rectangulaire ou carrée. 8. Rotor, en particulier de turbomachine, comprenant au moins un disque (12, 16) portant à sa périphérie une pluralité d'aubes (18, 44) et au moins un jonc annulaire d'étanchéité (42) et/ou 25 d'amortissement (20) des vibrations selon l'une des revendications précédentes, logé dans une gorge annulaire (22, 41, 64) du rotor. 9. Rotor selon la revendication 8, caractérisé en ce que la gorge annulaire (22, 41, 64) est orientée radialement vers l'intérieur de la turbomachine ou radialement vers l'extérieur. 30 10. Turbomachine comportant au moins un jonc annulaire d'étanchéité selon l'un des revendications 1 à 7.