Brevet FR2918107A1 — publié le 20090102

Dispositif amortisseur pour arbre de turbomachine La présente invention concerne le domaine des turbomachines, plus particulièrement des moteurs à turbine à gaz tels que les turboréacteurs ou turbopropulseurs et vise un dispositif amortisseur de vibrations. Les turbomachines aéronautiques sont composées d'une pluralité de roues aubagées, c'est-à-dire de disques rotatifs à la périphérie desquels sont fixées des aubes mobiles. Ces roues aubagées sont assemblées à des pièces cylindriques que l'on désigne arbres ou fûts. Ces composants sont des pièces particulièrement sensibles car elles doivent répondre en termes de dimensionnement à des impératifs de tenue mécanique à la rotation, à la température et au chargement aérodynamique. L'ensemble de ces aspects fait que ces structures sont chargées statiquement et que, compte tenu des impératifs de durée de vie ; les amplitudes de vibrations qu'elles subissent doivent rester faibles. La conception et la mise au point d'une turbomachine impliquant la coordination de plusieurs disciplines, le processus de dimensionnement est itératif. Le dimensionnement vibratoire est effectué afin d'éviter la présence de modes critiques dans la plage de fonctionnement. L'ensemble est validé à la fin du cycle de conception par un essai moteur sur lequel les amplitudes vibratoires sont mesurées. Il apparaît parfois de forts niveaux induits soit par des réponses forcées synchrones ou asynchrones, soit par des instabilités. La conception des arbres ou des fûts doit alors être refaite ce qui est particulièrement long et coûteux. L'objectif sur le plan industriel est donc de prédire au plus tôt, dans le cycle de dimensionnement, les niveaux de réponse vibratoire des structures afin de pouvoir prendre les mesures correctives qui s'imposent le plus en amont dans la conception. Parmi ces axes, l'amortissement mécanique est un enjeu important pour les concepteurs. Pour garantir la robustesse de ces pièces vis-à-vis de la fatigue vibratoire, une solution consiste à ajouter sur la structure des dispositifs spécifiques faisant office de sources de dissipation d'énergie. On connaît par exemple par le document EP 1253290 un moyen d'amortissement sur des aubes de roue mobile de compresseur. Il comporte une couche de matériau viscoélastique et une couche de contrainte. Le profil des aubes se trouvant dans la veine d'écoulement des gaz, la solution proposée dans ce document prévoit de creuser une encoche dans le profil des aubes et d'y loger les moyens amortisseurs. La surface des profils d'aubes en contact avec l'écoulement ne présente ainsi pas d'irrégularité et l'écoulement du gaz n'est pas perturbé. Un tel agencement nécessite un usinage délicat en raison de la faible épaisseur de l'aube. De plus, il existe un risque d'introduire un déséquilibre entre les différentes aubes d'une même roue conduisant à un balourd. La présente invention a pour objectif d'atténuer les réponses dynamiques d'une structure sous sollicitation synchrone ou asynchrone, d'origine aérodynamique ou non par un apport d'amortissement dynamique. L'arbre creux de turbomachine, conforme à l'invention, comprenant une paroi cylindrique avec une portion de surface interne et à une extrémité un organe de fixation à un disque de rotor de la turbomachine, est caractérisé par le fait que sur la dite portion de surface intérieure est fixé au moins un moyen d'amortissement de vibrations stratifié, le moyen d'amortissement comprenant au moins une couche de matériau viscoélastique en contact avec ladite portion de surface et une contre couche de matériau rigide. L'originalité de la présente invention repose sur l'emploi d'un stratifié de matière viscoélastique avec une couche de contrainte, ledit stratifié étant collé ou en appui sur la structure de manière à dissiper l'énergie vibratoire de la pièce. La dissipation de l'énergie vibratoire est obtenue par déformation en cisaillement du matériau viscoélastique, entre la structure qui se déforme sous sollicitation dynamique et la couche de contrainte entraînée par inertie. Ce stratifié est collé ou fixé à l'intérieur des arbres ou fûts et amortissent directement les modes de vibrations des pièces considérées. L'invention permet d'accroître l'amortissement structural d'une pièce métallique et de résoudre un problème vibratoire rencontré en conception : ceci a pour conséquence en final de réduire les temps de développement et des mises au point associées et donc de réduire les coûts. Elle autorise également l'élargissement des domaines de conception classiques bornés par la satisfaction des prestations de tenu aux charges alternées et indirectement des gains de masse. L'invention est applicable quel que soit le type de chargement dynamique : croisement avec des harmoniques moteurs, excitation asynchrone ou acoustique, instabilité aéroélastique ou excitation par contact rotor-stator. Selon les différents modes de réalisation, - Le moyen d'amortissement recouvre partiellement, axialement ou circonférentiellement ladite portion de surface interne - L'arbre comprend une pluralité de moyens d'amortissement répartis circonférentiellement sur la portion de surface interne. - Les couches sont liées entre elles. - Les couches sont liées entre elles par collage. - La contre-couche comprend un organe de fixation mécanique. - L'organe de fixation mécanique relie la contre couche à l'arbre. - L'organe de fixation mécanique maintient la couche viscoélastique en appui contre ladite portion de surface interne. -Le stratifié est constitué d'un empilement de couches viscoélastiques et de couches rigides alternées. - Les caractéristiques du matériau viscoélastique varient d'une couche à l'autre. - Les caractéristiques du matériau viscoélastique sont les mêmes d'une couche à l'autre. - Les caractéristiques du matériau rigide varient d'une couche rigide à l'autre. - Les caractéristiques du matériau rigide sont les mêmes d'une couche rigide à l'autre. L'invention porte aussi sur une turbomachine comprenant au moins un tel arbre. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit de divers modes de réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés sur 10 lesquels : La figure 1 représente schématiquement un turboréacteur en coupe axiale susceptible d'incorporer un arbre de l'invention ; La figure 2 représente en coupe un stratifié d'amortissement selon 15 l'invention ; La figure 3 représente un arbre vu en perspective équipé d'un stratifié d'amortissement conformément à l'invention ; La figure 4 montre l'arbre de la figure 3 en coupe axiale avec un autre mode de réalisation de l'invention. 20 En se référant à la figure 1, on a représenté de manière schématique un exemple de turbomachine sous la forme d'un turboréacteur 1 double flux et à double corps. Une soufflante 2 à l'avant alimente le moteur en air. L'air comprimé par la soufflante est partagé en deux flux concentriques. Le flux secondaire est évacué 25 directement dans l'atmosphère et fournit une part essentielle de la poussée motrice. Le flux primaire est guidé à travers plusieurs étages 3 et 4 de compression vers la chambre de combustion 5 où il est mélangé au carburant et brûlé. Les gaz chauds alimentent les différents étages 6 et 7 de turbine qui entraînent la soufflante et les étages de compression. Les gaz sont ensuite 30 évacués dans l'atmosphère. Structurellement un tel moteur comprend deux rotors tournant à des vitesses différentes : un rotor HF' 4-6 traversé par des gaz dits à haute pression et un rotor BP 2-3-7 traversé par des gaz dits à basse pression. Le rotor HP comprenant un 35 rotor de compresseur HP 4 à tambour et le disque de turbine HP 6 de part et d'autre de la chambre de combustion 5 et reliés par un arbre ou un fût cylindrique 14. Le rotor BP comprend le rotor de soufflante 2 et le rotor du compresseur 3 de gavage reliés par un arbre 13 à un rotor de turbine BP. 40 Conformément à l'invention, on dispose des moyens d'amortissement dynamiques de vibrations sur des portions de surface internes des arbres ou fûts cylindriques reliant les rotors entre eux. Comme on le voit sur la figure 2, un moyen amortisseur 30 se présente sous la 45 forme d'un stratifié avec une pluralité de couches empilées les unes sur les autres. Selon une forme de réalisation, le stratifié comporte une couche 32 d'un matériau viscoélastique et une contre couche 34 d'un matériau rigide. Le stratifié 30 est appliqué par la couche 32 contre la surface de la structure à amortir.5 La viscoélasticité est une propriété d'un solide ou d'un liquide qui lorsqu'il est déformé montre un comportement à la fois visqueux et élastique par une dissipation et un stockage simultanés d'énergie mécanique Les caractéristiques, isotropes ou anisotropes, d'élasticité du matériau rigide de la contre couche 34 sont supérieures à celles, isotropes ou anisotropes du matériau viscoélastique dans la plage de fonctionnement thermique et fréquentielle souhaitée. A titre d'exemple non limitatif, le matériau de la couche 34 peut être de type métallique ou composite, et le matériau de la couche 32 de type caoutchouc, silicone, polymère, verre ou résine époxy. Le matériau doit être efficace en terme de dissipation d'énergie dans la configuration attendue correspondant à des plages de températures et de fréquences déterminées. II est choisi à partir de ses modules caractéristiques de cisaillement, exprimés en déformation et vitesse. Selon d'autres formes de réalisation, le stratifié comporte plusieurs couches 32 de matériau viscoélastique et plusieurs contre couches de matériau rigide 34, qui sont disposées de façon alternée. L'exemple de la figure 2 montre de façon non limitative un stratifié d'amortissement ayant trois couches 32 de matériau viscoélastique et trois contre couches 34 de matériau rigide. Selon les applications, les couches de matériau viscoélastique 32 et les contre couches de matériau rigide 34 sont d'égales dimensions ou de dimensions différentes. Lorsque le stratifié comporte plusieurs couches 32, celles-ci peuvent présenter toutes les mêmes caractéristiques mécaniques ou bien présenter des caractéristiques mécaniques différentes. Lorsque le stratifié comporte plusieurs contre couches 34, celles-ci peuvent présenter toutes les mêmes caractéristiques mécaniques ou bien présenter des caractéristiques mécaniques différentes. Les couches 32 et les contre couches 34 sont fixées les unes aux autres de préférence par adhésion au moyen d'un film de colle ou par polymérisation. Sur la figure 3 on a représenté un premier mode de réalisation. L'arbre 40 dont on ne voit qu'une partie proche d'une extrémité comprend une paroi cylindrique 41. Cette extrémité est pourvue d'un organe de fixation à une pièce telle qu'un disque de turbine ou de compresseur par exemple. La surface interne 41i comprend au moins une portion de forme sensiblement cylindrique droite parallèle à l'axe de l'arbre. Le stratifié 30, constitué de deux couches : 32 viscoélastique et 34 contre-couche rigide, est fixé sur cette portion de surface 41 i. Le stratifié 30 est fixé par collage ou polymérisation de la couche viscoélastique sur la portion de surface 41i. Ce stratifié s'étend sur une portion axiale de la portion de surface 41i. De préférence il s'étend circonférentiellement sur toute la surface. L'arbre comprend à son extrémité, ici un organe de fixation d'un disque aubagé de type liaison boulonnée. En fonctionnement, les modes de vibrations de l'arbre sont amortis par le stratifié sans perturber le flux aérodynamique dans la veine de gaz. Sur la figure 4, on a représenté un deuxième mode de réalisation. L'arbre est le même que précédemment. Le stratifié d'amortissement 30' comprend ici aussi une couche viscoélastique 32' et une contre couche 34' rigide. La différence porte sur le mode de liaison avec l'arbre. La contre-couche rigide 34' comprend un45 prolongement latéral 34a' qui prend appui sur une partie de l'arbre. II s'agit selon cet exemple de l'organe de fixation 45. Le prolongement latéral 34a' est boulonné ou solidarisé par tout autre moyen sur l'organe de fixation 45. Par ce moyen on garantit une meilleure tenue du stratifié d'amortissement pendant les différents événements auquel l'arbre est amené à résister. Dans ce cas le stratifié n'est pas nécessairement collé sur la surface interne de l'arbre. La fixation mécanique assure une pression du stratifié contre cette surface de telle manière que lorsque des vibrations surviennent celles-ci soient transmises à la couche viscoélastique. Comme dans le cas précédent la solution de l'application d'un stratifié d'amortissement viscoélastique sur l'anneau extérieur du redresseur peut être adaptée selon les circonstances.15 Revendications 1. Arbre creux de turbomachine comprenant une paroi cylindrique avec une portion de surface interne et à une extrémité un organe de fixation à un disque de rotor de la turbomachine, caractérisé par le fait que sur la dite portion de surface intérieure est fixé au moins un stratifié (30, 30') d'amortissement de vibrations, le stratifié comprenant au moins une couche de matériau viscoélastique (32) en contact avec ladite portion de surface et une contre couche de matériau rigide (34, 34'). 2. Arbre creux selon la revendication précédente dont le stratifié s'étend axialement sur une partie de ladite portion de surface intérieure. 3. Arbre creux selon la revendication 1 comprenant une pluralité de stratifiés répartis circonférentiellement sur la portion de surface intérieure. 4. Arbre creux selon l'une des revendications précédentes dont les couches (32, 34) sont liées entre elles. 5. Arbre creux selon la revendication précédente dont les couches (32, 34) sont liées entre elles par collage. 6. Arbre creux selon l'une des revendications précédentes dont la contre-couche (34') comprend un organe de fixation mécanique (34'a). 7. Arbre creux selon la revendication précédente dont l'organe de fixation mécanique (34'a) relie la contre couche à l'arbre. 8. Arbre creux selon la revendication précédente dont l'organe de fixation 30 mécanique (34'a) maintient la couche viscoélastique en appui contre ladite portion de surface intérieure. 9. Arbre creux selon l'une des revendications précédentes dont le stratifié est constitué d'un empilement de couches viscoélastiques et de couches 35 rigides alternées (32, 34). 10.Arbre creux selon la revendication précédente dont les caractéristiques du matériau viscoélastique varient d'une couche à l'autre. 40 11.Arbre creux selon la revendication 9 dont les caractéristiques du matériau viscoélastique sont les mêmes d'une couche à l'autre. 12.Arbre creux selon l'une des revendications 9 à 11 dont les caractéristiques du matériau rigide varient d'une couche rigide à l'autre. 13.Arbre creux selon la revendication 11 dont les caractéristiques du matériau rigide sont les mêmes d'une couche rigide à l'autre. 45 14.Turbomachine comprenant au moins un arbre creux selon l'une des revendications précédentes. 15.Turbomachine selon la revendication précédente comprenant un 5 compresseur et dont l'arbre est relié à un disque du compresseur.