Brevet FR2958322A1 — publié le 20111007

La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz, et vise plus particulièrement à faciliter la fabrication et le montage d'une turbine basse pression dans un moteur à turbine à gaz. Un turboréacteur à soufflante avant et à double corps, par exemple, comprend classiquement, d'amont en aval, une soufflante, un étage compresseur basse pression, un étage compresseur haute pression, une chambre de combustion, un étage de turbine haute pression et un étage de turbine basse pression. Par convention, dans la présente demande, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation de l'air dans le turboréacteur. De même, par convention dans la présente demande, les termes « intérieur » et « extérieur » sont définis radialement par rapport à l'axe du moteur. Ainsi, un cylindre s'étendant selon l'axe du moteur comporte une face intérieure tournée vers l'axe du moteur et une surface extérieure, opposée à sa surface intérieure. Une turbine basse pression comprend des disques de rotor successifs comportant chacun des rainures axiales ou obliques dans lesquelles sont engagés des pieds d'aubes, les aubes s'étendant radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe du moteur. Les pieds des aubes sont retenus radialement dans les rainures du disque de rotor par leur section bulbeuse, dite en queue d'aronde, et, axialement, par un jonc annulaire amont en butée axiale sur une partie amont des pieds des aubes. Les rainures du disque de rotor sont traditionnellement réalisées par un procédé connu de l'homme du métier sous la désignation « brochage » qui consiste à forer longitudinalement, à l'aide d'un foret de forme sensiblement conique, la partie radialement extérieure d'un disque de rotor plein, c'est-à-dire, non rainuré. Lors de la formation des rainures, le foret traverse de part en part le disque de rotor. Un des challenges que doit surmonter l'industrie aéronautique consiste à 30 diminuer la masse des moteurs. Pour atteindre ce but, il a été proposé de regrouper les disques de rotor consécutifs en une seule pièce, appelée « tambour », également connue sous sa désignation anglaise « spool ». Un tambour de rotor se présente sous la forme d'un cylindre axial dans lequel sont montées une ou plusieurs séries d'aubes. A cet effet, lorsque le tambour de rotor comprend deux séries d'aubes, ce qui équivaut à deux disques de rotor, il est dénommé classiquement « Spool 1-2 ». Un tambour de rotor permet, par comparaison à une pluralité de disques de rotor, de se passer des moyens de liaison inter-disques et ainsi d'alléger le moteur. Un tel tambour est présenté dans la demande de brevet FR 0958567, non publiée, de la société SNECMA. En référence à la figure 1, un tambour de rotor 10 selon l'art antérieur comprend une partie amont 10A dans laquelle sont ménagées des rainures amont 14A pour retenir une pluralité d'aubes amont 4A et une partie aval 10B, dans laquelle sont ménagées des rainures aval 14B pour retenir une pluralité d'aubes aval 4B. La partie aval 10B est reliée à sa partie amont 10A par une portion tronconique 11 évasée de l'amont vers l'aval. Autrement dit, la partie aval 10B est décalée radialement vers l'extérieur par rapport à la partie amont 10A du tambour 10. Pour un tel tambour 10, le brochage des rainures 14B de la partie aval 10B du tambour 10 peut être mis en oeuvre de manière classique, le foret traversant de part en part la partie aval 10B du tambour 10 pour former les rainures aval 14B des aubes aval 4B. Le foret se déplace d'aval en amont dans la partie aval 10B du tambour 10. Par contre, le brochage des rainures amont 14A de la partie amont 10A du tambour 10 ne peut pas être mis en oeuvre. En effet, le foret ne peut pas se déplacer d'aval en amont dans la partie amont 10A du tambour 10 du fait de la partie aval 10B du tambour 10 qui empêche son positionnement en aval. De plus, le foret ne peut pas se déplacer d'amont en aval dans la partie amont 10A du tambour 10 car le foret terminerait sa course dans la portion tronconique 11 du tambour 10 ce qui l'endommagerait. Autrement dit, le foret ne peut pas traverser de part en part la partie amont 10A du tambour 10 ce qui présente un inconvénient. Une solution immédiate serait alors de disposer d'un tambour de rotor en deux parties (une partie amont et une partie aval) que l'on pourrait brocher indépendamment l'une de l'autre. Il suffit ensuite de lier les deux parties par soudure. Cependant, cela impose au tambour de rotor d'être traité thermiquement après la soudure. Or, un tel traitement est susceptible de déformer le tambour ce qui n'est pas désirable. Une autre solution immédiate, en référence à la figure 1, consiste à relier les parties amont et aval par soudage par friction. Cependant, un tel soudage induit des imprécisions de positionnement axial de la partie amont du tambour avec sa partie aval ce qui présente un inconvénient. Outre cet inconvénient, un tambour de rotor, tel que représenté à la figure 1, est difficile à monter dans le moteur. Pour un montage par l'arrière du moteur, les éléments du moteur sont insérés de l'aval vers l'amont. Pour un tambour monobloc, si on monte le tambour 10 avec ses aubes amont 4A et ses aubes aval 4B, il est difficile de placer les aubes de stator 5 situées entre les deux séries d'aubes car la partie aval 10B du tambour de rotor 10 empêche l'accès au lieu de montage. Afin de résoudre au moins certains de ces inconvénients, l'invention concerne un tambour de rotor monobloc pour un moteur à turbine à gaz s'étendant selon l'axe du moteur, le tambour comprenant une partie amont et une partie aval décalées radialement l'une par rapport à l'autre, la partie radialement extérieure comprenant une pluralité de logements d'aubes de rotor formés dans la surface extérieure de la partie radialement extérieure, le tambour étant caractérisé par le fait que la partie radialement intérieure comprend des moyens de fixation destinés à coopérer avec une couronne de rotor afin d'empêcher un mouvement tangentiel de la couronne de rotor par rapport à la partie radialement intérieure. Un tel tambour de rotor monobloc peut être facilement broché du fait que sa partie radialement intérieure peut recevoir une couronne brochée de manière indépendante. En outre, du fait de la structure modulaire du tambour et de la couronne, le montage des aubes de stator entre les aubes de rotor est aisé. De plus, les moyens de fixation permettent de transmettre le couple reçu par la couronne de rotor sans augmenter la complexité du tambour de rotor. De préférence toujours, les moyens de fixation sont agencés pour autoriser un déplacement axial de la couronne de rotor par rapport à la partie radialement intérieure afin de permettre un montage simple par l'arrière du moteur. De manière avantageuse, les moyens de fixation se présentent sous la forme de dents de fixation s'étendant radialement vers l'extérieur. Ainsi, le tambour reçoit le couple moteur et non les forces centrifuges. Selon un aspect de l'invention, la partie radialement extérieure correspond à la 20 partie aval et la partie radialement intérieure correspond à la partie amont. L'invention concerne également une couronne de rotor pour tambour de rotor tel que présenté précédemment, la couronne comprenant une pluralité de logements d'aubes de rotor formés dans la surface extérieure de la couronne, des moyens de 25 fixation, formés dans la surface intérieure de la couronne, destinés à coopérer avec la surface extérieure dudit tambour de rotor afin d'empêcher un mouvement tangentiel de la couronne par rapport audit tambour de rotor. La couronne de rotor peut être brochée de manière indépendante sans que cela 30 porte préjudice aux performances du rotor. De préférence, les moyens de fixation se présentent sous la forme de créneaux de fixation s'étendant radialement vers l'intérieur. Ainsi, tout effort centrifuge appliqué à la couronne de rotor n'est pas transmis au tambour de rotor ce qui allonge sa durée de vie. L'invention concerne également un rotor pour un moteur à turbine à gaz comprenant un tambour de rotor et une couronne de rotor tel que présentés précédemment. Le rotor ainsi formé est simple de conception et peut être assemblé de manière modulaire dans le moteur. L'invention concerne en outre un moteur à turbine à gaz comprenant un tel rotor. L'invention sera mieux comprise à l'aide du dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est une vue en coupe d'un moteur à turbine à gaz avec un tambour de rotor selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue en perspective en arrachée d'un rotor avec un tambour de rotor et une couronne de rotor selon l'invention ; et - la figure 3 est une vue en coupe d'un moteur à turbine à gaz avec un rotor selon l'invention. En référence à la figure 2 représentant un rotor 100 de turbine basse pression d'un moteur à turbine à gaz selon l'invention, le rotor 100 est modulaire et comprend un tambour de rotor 20, équivalent à deux disques de rotor, et une couronne de rotor 30 montée sur le tambour de rotor 20. Dans cet exemple, le tambour de rotor 20 est réalisé par un procédé de forge avec des aubes réalisées en matériau composite à matrice céramique (CMC) de masse faible ayant une bonne tenue en température de manière à pouvoir supporter des températures importantes en sortie de chambre de combustion. Un tel rotor 100 avec des aubes CMC possède avantageusement une masse faible en comparaison à un rotor avec des aubes venu par un procédé classique de fonderie. Le tambour de rotor 20 se présente globalement sous la forme d'une pièce cylindrique, sensiblement évasée de l'amont vers l'aval, qui s'étend axialement et comprend, de l'amont vers l'aval, une bride amont 21, une partie amont cylindrique 20A, une partie centrale tronconique 25 évasée de l'amont vers l'aval, une partie aval cylindrique 20B, dans laquelle est ménagée une pluralité de logements d'aubes aval 24, et une bride aval 22. Le tambour de rotor 10 forme un ensemble monobloc. La partie aval 20B du tambour de rotor 20 est décalée radialement vers l'extérieur par rapport à sa partie amont 20A. Comme indiqué précédemment, les logements des aubes aval 24 peuvent être réalisés par un procédé de brochage classique de l'aval vers l'amont, la partie aval 20B étant brochée de part en part avec un foret. La partie amont 20A ne possède pas de logements pour recevoir des aubes comme sa partie aval 20B mais comprend, sur sa surface extérieure, des dents de fixation 23, s'étendant radialement vers l'extérieur, destinées à fixer la couronne de rotor 30 afin d'empêcher un mouvement tangentiel de la couronne de rotor 30 par rapport au tambour de rotor 20. La couronne de rotor 30 se présente sous la forme d'une pièce cylindrique dont le diamètre interne est sensiblement égal au diamètre externe de la partie amont 20A du tambour de rotor 20. La couronne de rotor 30 comprend une pluralité de logements d'aubes amont 34 formés dans sa surface extérieure et des créneaux de fixation 33, s'étendant radialement vers l'intérieur, formés dans sa surface intérieure, agencés pour recevoir les dents de fixation 23 du tambour de rotor 20 afin d'empêcher un mouvement tangentiel de la couronne de rotor 30 par rapport audit tambour de rotor 20. Autrement dit, la couronne annulaire de rotor 30 est agencée pour s'enfiler, à la manière d'une bague, sur la partie amont 20A du tambour de rotor 20 afin de venir le compléter et former un rotor 100 comprenant deux pluralités de logements d'aubes 34, 24 dans deux plans transversaux distincts par rapport à l'axe du moteur X. Ainsi, le rotor 100 possède deux étages de turbine. L'assemblage du rotor 100 est particulièrement simple et astucieux en raison de la coopération des dents de fixation 23 avec les créneaux de fixation 33 qui empêche tout mouvement tangentiel entre la couronne de rotor 30 et le tambour de rotor 20. En outre, le rotor 100 ainsi formé possède des dimensions similaires aux rotors de l'art antérieur. Son implantation dans un moteur existant n'impose avantageusement aucune modification. De préférence, les dimensions des créneaux de fixation 33 et des dents de fixation 23 sont adaptées de manière à ménager entre eux un espace radial permettant le passage d'un flux d'air de refroidissement. La formation des logements d'aubes amont 34 dans la couronne de rotor 30 ne présente aucun inconvénient étant donné que la couronne de rotor 30 est un élément indépendant du tambour de rotor 20. Ainsi, le procédé de brochage peut être mis en oeuvre pour la formation des logements d'aubes amont 34. Le montage du rotor 100 ainsi que son fonctionnement vont être détaillés ci-après. En référence maintenant à la figure 3, On met préalablement en place les aubes 30 de stator 41 dans le moteur qui sont destinées à être montées en aval des aubes 25 amont 40A, ce qui ne présente pas d'inconvénient étant donné que le tambour de rotor 20 n'est pas encore monté. Les aubes de rotor aval 40B sont montées dans les logements 24 du tambour de rotor 20. Ensuite, on enfile un anneau d'étanchéité 60 axialement et extérieurement sur le tambour de rotor 20, cet anneau d'étanchéité 60 étant également connu sous la désignation « anneau labyrinthe ». L'anneau d'étanchéité 60 comprend une rainure circonférentielle 64, d'ouverture axiale aval, qui vient coopérer avec une languette 26, s'étendant axialement vers l'amont, formée sur la surface extérieure de la partie centrale tronconique 25 du tambour de rotor 20 afin de bloquer le déplacement axial de l'anneau d'étanchéité 60 par rapport au tambour de rotor 20. Le tambour de rotor 20 avec son anneau d'étanchéité 60 est ensuite monté dans le moteur. Par ailleurs, les aubes amont 40A sont insérées de l'aval vers l'amont dans les logements amont 34 de la couronne 30. La couronne 30 est ensuite montée sur le tambour de rotor 20 de manière à ce que les dents de fixation 23 de la partie amont 20A du tambour de rotor 20 coopèrent avec les créneaux de fixation 33 de la couronne de rotor 30. Les aubes amont 40A viennent ainsi bloquer axialement, depuis l'amont, l'anneau d'étanchéité 60 monté sur la partie aval du tambour de rotor 20. On monte ensuite un flasque de retenue amont 50 sur le tambour de rotor 20 en amont de la couronne de rotor 30. Les aubes amont 40A sont ainsi bloquées axialement dans leurs logements amont 34 par l'extrémité aval 52 d'un flasque de retenue amont 50. La bride amont 21 du tambour de rotor 20 est alors en appui sur la face aval du flasque de retenue amont 50 et l'extrémité amont 61 de l'anneau d'étanchéité 60 est en contact avec la face aval des pieds des aubes du rotor amont 40A retenues dans les logements amont 34 de la couronne de rotor 30. Il va de soi que le tambour de rotor 20 pourrait également être monté avec la 5 couronne de rotor 30 par frettage. La bride amont 21 du tambour de rotor 20 est reliée en amont à une bride aval d'un autre tambour de rotor (non représenté) par des moyens de fixation du type vis et boulons. De préférence, les brides sont festonnées de manière à alléger la 10 masse du moteur. Ainsi, les aubes de rotor amont 40A sont bloquées axialement par le flasque de retenue 50 en amont et par l'anneau d'étanchéité 60 en aval. 15 Par ailleurs, l'anneau d'étanchéité 60 comprend, au droit des aubes de stator 41, des lamelles d'étanchéité 63, s'étendant radialement vers l'extérieur, agencées pour coopérer avec une couche d'abradable 42 solidaire des aubes de stator 41 afin de former un joint à labyrinthe. 20 Dans cet exemple, les aubes de rotor aval 40B sont montées sur le tambour de rotor 20 préalablement au montage du tambour de rotor 20 avec sa couronne 30. Cependant, il va de soi que les aubes de rotor aval 40B pourraient être montées postérieurement. Dans tous les cas, les aubes de rotor aval 40B sont bloquées axialement en amont par l'extrémité aval de l'anneau d'étanchéité 60. 25 En fonctionnement, le flux d'air issu de la chambre de combustion circule d'amont en aval dans le moteur et entraîne en rotation les aubes amont 40A. Le flux d'air est ensuite redressé par les aubes statoriques 41 pour entraîner en rotation les aubes aval 40B. 30 L'entraînement des aubes amont 40A par le flux d'air génère un couple qui est transmis au tambour de rotor 20 par l'intermédiaire de la couronne de rotor 30 via les créneaux de fixation 33 et les dents de fixation 23 qui transmettent les efforts tangentiels. Par contre, la force centrifuge générée par la rotation des aubes amont 40A n'est pas transmise au tambour de rotor 20 car il n'existe pas de moyens de liaison radiale entre la couronne de rotor 30 et le tambour de rotor 20. Ainsi, les efforts centrifuges sont uniquement appliqués à la couronne de rotor 30 ce qui protège le tambour de rotor 20. Les aubes de rotor sont ici réalisées en un matériau léger (par exemple un matériau composite à matrice céramique (CMC)) et sont plus légères. Les efforts centrifuges appliqués à la couronne de rotor 30 sont alors moins importants en comparaison à un moteur de l'art antérieur. La couronne de rotor 30 peut ainsi supporter de telles forces centrifuges. Il a été ici décrit des moyens de fixation avec des dents et des créneaux mais il va de soi que des cannelures ou des crabots pourraient également convenir. Il a été ici décrit un tambour de rotor équivalent à deux disques de rotor mais il va de soi que l'invention s'applique à un tambour de rotor monobloc équivalent à plus deux disques de rotor. A cet effet, les parties du tambour de rotor qui sont radialement intérieures à une autre partie du tambour de rotor comprennent des couronnes de rotor brochées de manière indépendante. Revendications1. Tambour de rotor (20) monobloc pour un moteur à turbine à gaz s'étendant selon l'axe du moteur (X), tambour comprenant : - une partie amont (20A) et une partie aval (20B) décalées radialement l'une par rapport à l'autre ; - la partie radialement extérieure (20B) comprenant une pluralité de logements (24) d'aubes de rotor (40B) formés dans la surface extérieure de la partie radialement extérieure (20B); tambour (20) caractérisé par le fait que - la partie radialement intérieure (20A) comprend des moyens de fixation (23) destinés à coopérer avec une couronne de rotor (30) afin d'empêcher un mouvement tangentiel de la couronne de rotor (30) par rapport à la partie radialement intérieure (20A). 2. Tambour selon la revendication 1, dans lequel les moyens de fixation (23) sont agencés pour autoriser un déplacement axial de la couronne de rotor (30) par rapport à la partie radialement intérieure (20A). 3. Tambour selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel les moyens de fixation se présentent sous la forme de dents de fixation (23) s'étendant radialement vers l'extérieur. 4. Tambour selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la partie radialement extérieure correspond à la partie aval (20B) et la partie radialement intérieure correspond à la partie amont (20A). 5. Couronne de rotor (30) pour tambour de rotor (20) selon l'une des revendications 1 à 4, la couronne (30) comprenant : - une pluralité de logements (34) d'aubes de rotor (40A) formés dans la surface extérieure de la couronne (30);- des moyens de fixation (33), formés dans la surface intérieure de la couronne (30), destinés à coopérer avec la surface extérieure dudit tambour de rotor (20) afin d'empêcher un mouvement tangentiel de la couronne (30) par rapport audit tambour de rotor (20). 6. Couronne selon la revendication 5, dans lequel les moyens de fixation (33) se présentent sous la forme de créneaux de fixation (33) s'étendant radialement vers l'intérieur. 10 7. Rotor (100) pour un moteur à turbine à gaz comprenant un tambour de rotor (20) selon l'une des revendications 1 à 4 et une couronne de rotor (30) selon l'une des revendications 5 à 6. 8. Moteur à turbine à gaz comprenant un rotor (100) selon la revendication 7. 15