Brevet FR2927357A1 — publié le 20090814

-1- La présente invention se rapporte à un dispositif d'amortissement des vibrations entre deux aubes adjacentes d'un même rotor de turbomachine. Les turbomachines, comme, par exemple, une turbine à gaz dans un propulseur à réaction ou turbopropulseur aéronautique, comportent un ou plusieurs stators et un ou plusieurs rotors. Dans un rotor axial, chaque roue comporte généralement un disque monté rotatif sur un axe central et une pluralité d'aubes arrangées sensiblement radialement sur la périphérie du disque. Chaque aube comporte un corps profilé, une échasse de fixation sur ledit disque et une plateforme entre ledit corps profilé et ladite échasse. Les plateformes des aubes servent à protéger les échasses et le disque du courant de fluide moteur traversant le rotor et comportent chacune au moins une face intérieure du côté de l'échasse, une face extérieure du côté du corps profilé et des bords entre lesdites faces intérieure et extérieure. Les aubes ont des fréquences de résonance naturelles et, lors du dimensionnement des aubes, les règles de conception imposent d'éviter toute coïncidence fréquentielle avec les sources d'excitation pour éviter des niveaux de réponses vibratoires supérieurs aux limites acceptables. Toutefois, les autres contraintes de conception des aubes conduisent la plupart du temps à des compromis avec des coïncidences fréquentielles qui sont acceptées suivant l'expérience en service. Afin de réduire les niveaux de réponse dynamique sur les aubes, des dispositifs d'amortissement par friction ont été développés. De tels dispositifs d'amortissement par friction ont été divulgués, par exemple, dans les demandes de brevet européen EP 1 167 691 A2, EP 1 291 492 Al, et EP 0 702 131 Al, ainsi que dans la demande de brevet américain US 2002/0146322 Al et dans le brevet américain US 3,037,741. Ces dispositifs d'amortissement par friction sont placés entre les aubes adjacentes d'une même roue aubagée afin de dissiper au moins partiellement l'énergie vibratoire des deux aubes adjacentes. Ceci introduit une raideur entre aubes adjacentes. En particulier, EP 0 702 131 Al divulgue un dispositif d'amortissement des vibrations entre deux aubes adjacentes d'une même roue de turbomachine, chaque aube comportant, au moins, un corps profilé, une échasse de fixation, et une plateforme entre ledit corps profilé et ladite échasse, chaque plateforme comportant au moins une face intérieure du côté de l'échasse, une face extérieure du côté du corps profilé et des bords entre lesdites face intérieure et extérieure, le dispositif d'amortissement par friction étant destiné à être placé entre les deux aubes adjacentes sous les faces intérieures de leurs plateformes, et comportant deux surfaces de friction. En fonctionnement, la force centrifuge pousse le dispositif d'amortissement vers l'extérieur, de telle manière que les deux surfaces de friction entrent en contact avec les faces inférieures des plateformes des deux aubes adjacentes. Tout mouvement relatif entre les deux aubes adjacentes provoque donc un glissement frictionnel sur au moins une des - 2 - deux surfaces de friction, ce qui dissipe au moins une partie de l'énergie du mouvement. Toutefois, l'efficacité de tels dispositifs d'amortissement est limitée par leurs caractéristiques linéaires de raideur propre. Afin de résoudre ce problème, et donc d'améliorer l'amortissement des vibrations, le dispositif d'amortissement suivant l'invention comporte en outre une nervure entre lesdites deux surfaces de friction, destinée à être située dans une rainure formée par les bords adjacents des plateformes des aubes adjacentes. L'adoption d'une telle rainure augmente les surfaces de friction, et augmente la raideur tangentielle apportée par le frotteur. De cette manière, quand l'amplitude de la vibration des aubes atteint un certain seuil, et qu'au point de plus grande approche des plateformes la géométrie de la rainure évolue , ladite nervure, calée entre les deux plateformes, glisse partiellement vis-à-vis de la rainure, écartant ainsi au moins une des deux surfaces de friction de la face inférieure de la plateforme correspondante. Le mouvement relatif entre les plateformes et le dispositif d'amortissement provoque donc des pertes d'adhérence et des recollements successifs des surfaces de friction du dispositif d'amortissement, se traduisant par une variation continuelle de la raideur locale du système. Ce faisant, les modes vibratoires des aubes sont dérangés par la variation continuelle de leurs fréquences propres. La résonance du système ne peut s'installer du fait de la variation continuelle de l'état du système dynamique. Il s'ensuit une réduction des niveaux vibratoires des aubes. Dans un mode de réalisation particulier, ladite nervure a une section transversale sensiblement trapézoïdale sur au moins une partie de sa longueur. De cette manière une forme de cale avec des flancs obliques peut être obtenue pour la nervure, facilitant le glissement partiel de la nervure vis-à-vis de la rainure à l'approche des plateformes, tout en assurant la raideur de la nervure en compression dans un plan tangentiel à l'axe moteur. Dans un autre mode de réalisation particulier, ladite nervure a une section transversale sensiblement triangulaire sur au moins une partie de sa longueur. De cette forme on obtient aussi des flancs obliques facilitant le glissement partiel de la nervure vis-à-vis de la rainure. De préférence, la nervure a une section transversale variable dans le sens de sa longueur. Ceci permet d'obtenir une raideur non-uniforme le long de l'amortisseur, de manière à optimiser cette raideur pour amortir des modes de vibration particuliers. Dans un mode de réalisation particulier, au moins un bord de ladite nervure est arrondi, afin d'adapter la raideur d'amortissement du dispositif. Dans un mode de réalisation particulier, ladite nervure est au moins partiellement creuse. Ceci permet de réduire la masse du dispositif d'amortissement, d'optimiser l'efficacité de l'amortisseur sur certains modes et aussi éventuellement de produire le dispositif de manière particulièrement économique par emboutissage. - 3 Dans un autre mode de réalisation particulier, ladite nervure est au moins partiellement pleine, de manière à renforcer sa raideur en compression. De préférence, ladite nervure comporte deux flancs convergents, pouvant être de géométries différentes . De cette manière une forme de cale est obtenue, facilitant le glissement partiel de la nervure vis-à-vis de la rainure à l'approche des plateformes. De préférence, ledit dispositif forme en outre un joint d'étanchéité entre les deux aubes adjacentes. Ainsi, le disque est mieux 10 protégé du courant de gaz traversant la turbomachine. En outre, l'invention concerne aussi une roue aubagée de turbomachine comportant : un disque monté rotatif sur un axe central ; une pluralité d'aubes arrangées sensiblement radialement sur 15 la périphérie du disque, chaque aube comportant un corps profilé, une échasse de fixation sur le disque et une plateforme entre le corps profilé et l'échasse, et chaque plateforme comportant au moins une face intérieure du côté de l'échasse, une face extérieure du côté du corps profilé et des bords entre lesdites face intérieure et extérieure ; et 20 au moins un dispositif d'amortissement suivant l'invention agencé entre deux aubes adjacentes, sous les faces intérieures de leurs plateformes ; dans laquelle : les bords des plateformes desdites aubes adjacentes forment 25 une rainure entre les faces intérieures des plateformes ; la nervure du dispositif d'amortissement est au moins partiellement insérée dans ladite rainure ; et ladite nervure a une largeur supérieure à la largeur de ladite rainure quand les bords des plateformes desdites aubes adjacentes entrent 30 en contact. De préférence, la nervure comporte au moins un premier flanc et un deuxième flanc, lesdits premier et deuxième flancs de la nervure étant convergents, et la rainure comporte au moins un premier flanc sensiblement parallèle au premier flanc de la nervure, et un deuxième flanc sensiblement 35 parallèle au deuxième flanc de la nervure, le premier flanc de la rainure étant formé dans la plateforme d'une des deux aubes adjacentes, et le deuxième flanc de la rainure étant formé dans la plateforme de l'autre des deux aubes adjacentes. Par conséquent, la nervure glissera facilement au moins partiellement vis-à-vis de la rainure quand dans le mouvement dynamique 4o des aubes adjacentes la distance entre les premier et deuxième flancs de la rainure devient inférieure à la distance entre les premier et deuxième flancs de la nervure. En outre, l'invention concerne aussi une turbine à gaz, en particulier une turbine haute pression, comportant au moins une roue 45 aubagée suivant l'invention. - 4 - Des détails concernant l'invention sont décrits ci-après, de manière exclusivement illustrative et non limitative, en faisant référence aux dessins. La figure 1 est une vue en coupe schématique montrant deux aubes de turbomachine adjacentes montées sur un disque de turbomachine et équipées d'un dispositif d'amortissement suivant l'état de la technique ; la figure 2a est une vue en coupe schématique montrant deux aubes de turbomachine adjacentes montées sur un disque de turbomachine et équipées d'un dispositif d'amortissement suivant un mode de réalisation 1 o de l'invention ; la figure 2b est une vue en coupe des mêmes éléments illustrés dans la fig. 2a quand la vibration des aubes approche leurs plateformes au delà d'un certain seuil ; la figure 3 est un graphique montrant la réponse du dispositif 15 suivant l'invention en fonction des fréquences ; les figures 4a à 4j sont des vues en coupe de plusieurs configurations alternatives du dispositif suivant l'invention. Dans la figure 1, un fragment d'une roue aubagée mobile de turbomachine 101 suivant l'état de la technique est schématiquement 20 représenté. II peut s'agir par exemple d'une roue mobile de compresseur ou de turbine. En particulier il peut s'agir d'une roue aubagée de rotor basse pression, à pression intermédiaire ou haute pression dans un moteur à turbine à gaz terrestre ou aéronautique. Cette roue aubagée 101 comporte un disque 102, monté rotatif sur un axe de rotation de la turbomachine, et 25 une pluralité d'aubes 103 arrangées radialement sur la périphérie du disque 102. Chaque aube 103 comporte un corps profilé 104 placé dans le courant de gaz traversant la turbomachine, une échasse 105 de fixation de l'aube 103 sur le disque 102, et une plateforme 106 entre le corps profilé 104 et l'échasse 105. La plateforme 106 sert en particulier à protéger le disque 102 30 et l'échasse 105 du courant de gaz traversant la turbomachine. Cette plateforme 106 comporte donc une face intérieure 106a, une face extérieure 106b, et des bords 106c entre ces faces intérieure et extérieure 106a, 106b. Les aubes 103 ont, à cause de leur forme, des fréquences de résonance naturelle. Des vibrations induites par les différentes sources 35 d'excitation présentes dans une turbine à gaz peuvent coïncider avec ces fréquences, résultant dans une augmentation sensible de la fatigue du matériau, et éventuellement même dans une fracture de l'aube 103. Pour cette raison, la roue aubagée 101 suivant l'état de la technique comporte aussi des dispositifs d'amortissement par friction 107 intercalés entre des 40 aubes 103 adjacentes, sous les faces intérieures 106a de leurs plateformes 106. Chaque dispositif d'amortissement 107 comporte deux surfaces de friction 108 orientées vers les faces intérieures 106a des plateformes 106 des deux aubes 103 adjacentes. Quand la roue aubagée 101 tourne, 45 chacune de ces surfaces de friction 108 est donc plaquée par la force centrifuge sur la face intérieure 106a de la plateforme 106 d'une des deux aubes 103 adjacentes. De cette manière, lorsqu'une vibration des aubes 103 - 5 - cause un mouvement relatif entre les deux aubes 103 adjacentes, ceci provoquera un frottement des surfaces de friction 108 du dispositif d'amortissement 107 contre les faces intérieures 106a des plateformes 106 des deux aubes 103 adjacentes, dissipant donc au moins partiellement l'énergie de cette vibration. Dans la figure 3 est représentée la réponse R des aubes 103 en déplacement en fonction de la fréquence f d'excitation. La courbe 301 correspond à la réponse dans une roue aubagée non équipée de dispositifs d'amortissement 107, tandis que la courbe 302 correspond à celle dans une roue aubagée 101 équipée de tels dispositifs d'amortissement 107 se présentant à l'état dispositif bloqué par la force centrifuge induite par la rotation de la turbomachine suivant l'état de la technique. En fonctionnement on observe un niveau de réponse fortement réduit par rapport aux autres configurations (301 & 302) illustré par la courbe 303 Dans les figures 2a et 2b, un mode de réalisation de l'invention est représenté. Comme dans l'état de la technique représenté dans la figure 1, on trouve une roue aubagée 201 comportant un disque 202, monté rotatif sur un axe de rotation de la turbomachine, et une pluralité d'aubes 203 arrangées radialement sur la périphérie du disque 102. Ces aubes 203 comportent aussi un corps profilé 204, une échasse 205 et une plateforme 206, avec une face intérieure 206a face à l'échasse 205, une face extérieure 206b face au corps profilé 204, et des bords 206c entre lesdites faces intérieure et extérieure 206a, 206b. Comme dans l'état de la technique, des dispositifs d'amortissement par friction 207 sont intercalés entre des aubes 203 adjacentes, sous les faces intérieures 206a des plateformes 206 de ces aubes 203 adjacentes. Toutefois, chaque dispositif d'amortissement par friction 207 présente, entre les deux surfaces de friction 208, une nervure 209. Dans le mode de réalisation illustré dans les figures 2a et 2b, le dispositif d'amortissement 207 est formé par une tôle emboutie et sert, en outre comme joint d'étanchéité entre les plateformes 206 des aubes 203 adjacentes, protégeant le disque 202 et les échasses 205 des gaz traversant la turbomachine tout en réduisant les pertes aérodynamiques. Dans ce mode de réalisation, la nervure 209 est creuse et présente une section sensiblement trapézoïdale avec des bords 210 arrondis, un premier flanc 211, et un deuxième flanc 212. Ces premier et deuxième flancs 211,212 sont inclinés et convergent vers le sommet de la nervure 209. Les bords 206c des plateformes 206 des aubes 203 adjacentes présentent des évidements formant ensemble une rainure 213 entre les faces intérieures 206a des plateformes 206 des deux aubes 203 adjacentes. Cette rainure 213 présente un premier flanc 214 formé dans la plateforme 206 d'une des deux aubes 203 adjacentes, et un deuxième flanc 215 formé dans la plateforme 206 de l'autre des deux aubes 203. Lorsque la nervure 209 est insérée dans la rainure 213, le premier flanc 211 de la nervure 209 fait face et est sensiblement parallèle au premier flanc 214 de la rainure 213, et le deuxième flanc 212 de la nervure 209 fait face et est sensiblement parallèle au deuxième flanc 215 de la rainure 213. - 6 - Quand la roue aubagée 201 tourne, et que la force centrifuge pousse les surfaces de friction 208 du dispositif d'amortissement 207 vers les faces intérieures 206a des plateformes 206 des aubes 203 adjacentes, la nervure 209 pénètre dans la rainure 213. Dans la position normale des aubes 203, telle qu'illustrée dans la figure 2a, la nervure 209 entre entièrement dans la rainure 213, et ne forme donc pas obstacle au contact des surfaces de friction 208 avec les faces intérieures 206a des plateformes 206. Si, à cause d'une vibration des aubes 203 adjacentes, la distance d entre les bords 206c de leurs plateformes 206 tombe momentanément au 1 o dessous d'un certain seuil, la nervure 209 est au moins partiellement expulsée de la rainure 213, comme illustré dans la figure 2b. Ce mouvement modifie les conditions de contact au niveau des surfaces de friction 208 des faces intérieures 206a des plateformes :206, changeant brusquement le frottement. Quand les aubes 203 entrent en vibration au delà d'un certain 15 seuil d'amplitude, le dispositif d'amortissement 207 entre dans une succession de pertes d'adhérence et de recollements des surfaces de friction 208. De façon inattendue, cette situation résulte dans un amortissement globalement plus efficace que quand les surfaces de friction 208 sont plaquées en permanence contre les faces intérieures 206a des plateformes 20 206. En effet, en provoquant des variations brusques des fréquences propres des aubes 203, la non-linéarité de comportement induite par le dispositif a un effet disruptif sur ses modes vibratoires. Ainsi, la courbe 303 illustrée dans la figure 3, représentant la réponse vibratoire des aubes 203 avec ce mode de réalisation de l'invention, est une courbe intermédiaire entre les courbes 301 25 et 303, mais présentant un pic de résonance atténué vis à vis des pics observés sur les courbes 301 et 302. Le dispositif d'amortissement 207 peut présenter des formes différentes de celle du mode de réalisation illustré dans les figures 2a et 2b. Plusieurs de ces formes différentes sont illustrées dans les figures 4a à 4j. 30 Dans les figures 4a, 4c et 4e, le dispositif, au lieu d'être creux, est plein, ce qui augmente sa raideur. Sur les figures 4g, 4h 4i et 4j la nervure 209 est au moins partiellement pleine. Dans les variantes illustrées dans les figures 4b, 4c et 4i, les deux flancs 211, 212 de la nervure 209 se rejoignent au sommet de la nervure 209, formant une nervure 209 à section transversale 35 sensiblement triangulaire. Dans les variantes 4a et 4j la nervure présente une surface plane supérieure et des flancs plans convergents vers le sommet. Dans les modes de réalisation illustrés dans les figures 4d, 4e et 4g, la nervure 209, au lieu de présenter des flancs sensiblement plats, présente une section sensiblement ronde. La nervure 209 peut aussi 40 présenter une section transversale variable dans le sens de sa longueur, être symétrique ou bien être asymétrique comme cela est représenté sur la figure 4f ou 4h qui montre un flanc à section arrondie et un flanc plan. Le dispositif peut présenter des renforcements locaux, afin de varier sa raideur et l'optimiser pour amortir des modes de vibration particuliers. 45 La rainure 213 entre les faces intérieures 206a des plateformes 206 peut aussi présenter une multitude de formes différentes adaptées à chaque nervure 209. - 7 - Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. -8- REFERENCES DES FIGURES 101 Roue aubagée de turbomachine 102 Disque 103 Aube 104 Corps profilé 105 Échasse 106 Plateforme 106a Face intérieure 106b Face extérieure 106c Bord 107 Dispositif d'amortissement 108 Surface de friction 201 Roue aubagée de turbomachine 202 Disque 15 203 Aube 204 Corps profilé 205 Échasse 206 Plateforme 206a Face intérieure 2 0 206b Face extérieure 206c Bord 207 Dispositif d'amortissement 208 Surface de friction 209 Nervure 25 210 Bord 211 Flanc 212 Flanc 213 Rainure 214 Flanc 3 0 215 Flanc 301 Réponse dynamique sans dispositif d'amortissement 302 Réponse dynamique avec dispositif d'amortissement à l'état bloqué par la force centrifuge 303 Réponse dynamique avec dispositif d'amortissement suivant 35 l'invention d Distance entre les bords des plateformes f Fréquence R Réponse REVENDICATIONS 1. Dispositif d'amortissement (207) des vibrations entre deux aubes (203) adjacentes d'une même roue de turbomachine (201), chaque aube (203) comportant, au moins, un corps profilé (204), une échasse (205) de fixation, et une plateforme (206) entre ledit corps profilé (204) et ladite échasse (205), chaque plateforme (206) comportant au moins une face intérieure (206a) du côté de l'échasse (205), une face extérieure (206b) du côté du corps profilé (204) et des bords (206c) entre lesdites face intérieure et extérieure (206a,206b), ledit dispositif d'amortissement (207) étant destiné à être intercalé entre les deux aubes (203) adjacentes sous les faces intérieures (206a) de leurs plateformes (206), et comportant deux surfaces de friction (208), caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une nervure (209) entre lesdites deux surfaces de friction (208), destinée à être insérée dans une rainure (213) formée par les bords (206c) des plateformes (206) des aubes (203) adjacentes. 2. Dispositif d'amortissement (207) suivant la revendication 1, dont ladite nervure (209) a une section transversale sensiblement trapézoïdale sur au moins une partie de sa longueur. 3. Dispositif d'amortissement (207) suivant une quelconque des revendications précédentes, dont ladite nervure (209) a une section transversale sensiblement triangulaire sur au moins une partie de sa longueur. 4. Dispositif d'amortissement (207) suivant une quelconque des revendications précédentes, dont ladite nervure (209) a une section transversale variable dans le sens de sa longueur. 5. Dispositif d'amortissement (207) suivant une quelconque des revendications précédentes, dont au moins un bord (210) de ladite nervure (209) est arrondi. 6. Dispositif d'amortissement (207) suivant une quelconque des revendications précédentes, de forme asymétrique. 7. Dispositif d'amortissement suivant une des revendications 1 à 5, de forme symétrique. 8. Dispositif d'amortissement (207) suivant une quelconque des revendications précédentes, dont ladite nervure (209) est au moins partiellement pleine. 9. Dispositif d'amortissement (207) suivant une quelconque des revendications précédentes, dont ladite nervure (209) comporte deux flancs (211,212) convergents. 10.Dispositif d'amortissement (207) suivant une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il forme en outre un joint d'étanchéité entre les deux aubes (203) adjacentes. 11.Roue de turbomachine (201) comportant : un disque (202) monté rotatif sur un axe central ; une pluralité d'aubes (203) arrangées sensiblement radialement sur la périphérie du disque (202), chaque aube (203) comportant un corps profilé (204), une échasse (205) de fixation sur ledit 2927357 - 10 - disque (202) et une plateforme (206) entre ledit corps profilé (204) et ladite échasse (205), et chaque plateforme (206) comportant au moins une face intérieure (206a) du côté de l'échasse (205), une face extérieure (206b) du côté du corps profilé (204) et des bords 5 (206c) entre lesdites face intérieure et extérieure (206a,206b) ; et au moins un dispositif d'amortissement (207) agencé entre deux aubes (203) adjacentes, sous les faces intérieures (206a) de leurs plateformes (206) ; caractérisée par le fait que 10 le dispositif d'amortissement (207) est un dispositif d'amortissement (207) suivant une quelconque des revendications précédentes ; les bords (206c) des plateformes (206) desdites deux aubes (203) adjacentes forment une rainure (213) entre les faces intérieures 15 (206a) des plateformes (206) ; la nervure (209) dudit dispositif d'amortissement (207) est au moins partiellement insérée dans ladite rainure (213) ; et ladite nervure (209) a une largeur supérieure à la largeur de ladite rainure (213) quand les bords des plateformes (206) desdites deux 20 aubes (203) adjacentes entrent en contact. 12.Roue de turbomachine (201) suivant la revendication 11, dont : ladite nervure (209) comporte au moins un premier flanc (211) et un deuxième flanc (212), lesdits premier et deuxième flancs 25 (211,212) de la nervure (209) étant convergents ; et - ladite rainure (213) comporte au moins un premier flanc (214) sensiblement parallèle au premier flanc (211) de la nervure, et un deuxième flanc (215) sensiblement parallèle au deuxième flanc (212) de la nervure (209), le premier flanc (214) de la rainure (213) 30 étant formé dans la plateforme (206) d'une des deux aubes (203) adjacentes, et le deuxième flanc (215) de la rainure (213) étant formé dans la plateforme (206) de l'autre des deux aubes (203) adjacentes. 13.Turbine à gaz, en particulier turbine haute pression, 35 comportant au moins une roue aubagée (201) suivant une quelconque des revendications 11 ou 12.