Brevet FR2953896A1 — publié le 20110617

PROCÉDÉ D'ÉQUILIBRAGE DE PIECES ROTATIVES EN LIAISON VIS - ÉCROUS MULTIPLE, VIS DE MISE EN OEUVRE ET APPLICATION AUX TURBOMACHINES [0001]L'invention concerne un procédé d'équilibrage de pièces rotatives montées par des ensembles de liaisons à vis - écrous, ainsi que les vis d'équilibrage mettant en oeuvre ce procédé. L'invention s'applique en particulier, mais non exclusivement, aux roues de compresseurs ou de turbines de turbomachines, en particulier de turbines libres. [0002] L'invention se rapporte au domaine de l'équilibrage de pièces montées en rotation. L'équilibrage de telles pièces rotatives est critique car un déplacement du centre de gravité hors de l'axe de rotation entraîne des vibrations pouvant aller jusqu'à la destruction de la pièce. [0003] Pour des ensembles de pièces en rotation à très grandes vitesses, telles que des roues de turbomachines, les architectures sont calculées et réalisées avec une précision supérieure à celle permise par les tolérances d'usinage. L'invention permet de s'affranchir d'une opération d'usinage sur les disques après fabrication. [0004]Après montage des disques sur les arbres de rotation ou lors d'opérations de contrôle ou de réparation, l'équilibrage est vérifié et rétabli le cas échéant. Différentes méthodes d'équilibrage des rotors sont connues, notamment par : • un cordon d'équilibrage qui est usiné sur le disque : cette solution nécessite un usinage manuel et une préfabrication de disques de classe élevée (H1 selon la classification) ; de plus, elle entraine une consommation du cordon en réparation, ce qui peut entraîner un usinage excessif, en particulier lors de correction de balourd, et aboutir au rebut du disque ; • répartition des pales de disques en fonction de leur masse : il s'agit d'un équilibrage statique par mesure des moments statiques. Ce procédé ne permet pas de corriger tout balourd dynamique ; • tierçage entre les disques qui permet de rattraper un balourd dynamique avec un éventuel grattage complémentaire du cordon, mais cette solution n'est pas applicable en réparation sur champ ; • apport de masselottes dans une gorge, par vis rapportées ou par rivetage, ce qui nécessite l'addition de pièces en nomenclature uniquement dédiées à l'équilibrage, ainsi qu'un usinage supplémentaire en cas de rivetage ; • attaque électrolytique : phase supplémentaire à programmer et application sélective aux seuls matériaux électrolysables ; • addition d'axes de pale dédiés à l'équilibrage dynamique : cette solution implique l'introduction de pièces supplémentaires en nomenclature. Ces techniques dédiées à l'équilibrage font appel à des moyens d'équilibrage supplémentaires (cordon, masselottes, électrolyte) et peuvent nécessiter des opérations spécifiques (tri, tierçage, réglage) immobilisant un temps important. [0005] Il est également connu du document de brevet US 27 234 916 une vis présentant un filetage extérieur permettant le montage d'une masse d'équilibrage serrée par écrou. [0006] Par ailleurs, le document de brevet GB 2 265 964 décrit une vis munie d'un filetage intérieur pour y recevoir une vis d'équilibrage. [0007] Les moyens d'équilibrage décrits dans ces documents nécessitent également l'utilisation de pièces supplémentaires en nomenclature, dédiées uniquement à l'équilibrage, ainsi que des opérations de filetage supplémentaires. EXPOSE DE L'INVENTION [0008] L'invention vise à obtenir un équilibrage de pièces en rotation fixées par des liaisons à vis sans avoir recours à l'utilisation de pièces supplémentaires générant des opérations supplémentaires. Pour ce faire, l'invention prévoit de mettre en oeuvre des pièces de montage de conformation particulière permettant un ajustage de la masse de la pièce. [0009]Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé d'équilibrage d'une pièce rotative montée en liaison multiple par un assemblage à vis - écrou. Le procédé consiste à conformer les vis de cet assemblage de sorte à présenter une tête se prolongeant en excroissance axiale et ajustable pour minimiser une variation de masses des vis de l'assemblage. [0010] Généralement, les vis sont pesées et regroupées par lot. Afin de maîtriser les variations de masses pouvant générer un balourd en service, l'écart entre les masses extrêmes des vis d'un lot n'excède pas une certaine tolérance, par exemple quelques centigrammes pour des vis à un rayon d'implantation d'une cinquantaine de centimètres du centre de rotation. L'ajustage selon l'invention est réparti sur les vis d'un lot de sorte à tenir un delta de masses sous une valeur prédéfinie. [0011]La masse des écrous n'est pas significative au regard de celles des vis. Les écarts de masse des écrous n'interviennent donc pas de manière significative pour affiner ou corriger un équilibrage et ne sont donc pas pris en compte. [0012] En outre, en cas de rupture sous tête, la tête de vis en excroissance reste avantageusement contenue dans un environnement immédiatement adjacent grâce à son encombrement supérieur dû à sa conformation en excroissance. [0013]Avantageusement également, le procédé selon l'invention peut finaliser un équilibrage et, le cas échéant, une correction de balourd par usinage des têtes de vis en excroissance, les vis étant réparties de manière équidistante et axisymétrique. La reprise de cordons d'équilibrage est ainsi évitée ou sensiblement limitée en cas d'utilisation de ces cordons en option. [0014]Avantageusement, la présente invention permet une réduction sensible des coûts par la suppression des opérations de tri de vis par masse, par réduction du taux de rebut de disques en réparation, par réduction de consommation de cordon d'équilibrage ou par la suppression des changements de disques générés par l'utilisation prolongée d'ensembles de vis mal équilibrés. [0015] L'invention se rapporte également aux vis d'équilibrage aptes à mettre en oeuvre le procédé ci-dessus. De telles vis comportent une tige prolongée par une tête apte à tourner selon un axe longitudinal coïncidant avec l'axe de la tige et présentent une excroissance sur l'axe longitudinal configurée sous une forme de téton. Selon des modes de réalisation particuliers : - le téton est fabriqué avec la vis pour former une seule pièce; - le téton est usiné par tournage fraisage afin de lui conférer une forme cylindrique de haute précision ; - le téton est rectifié par enlèvement de matière afin de tenir un delta de masses donné d'un lot de vis, voire d'affiner un équilibrage préalable ou de corriger un balourd sur champ: dans ces fonctions, il remplace avantageusement le cordon d'équilibrage. BREVE DESCRIPTION DE LA FIGURE [0016] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence à la figure unique qui illustre une vue en coupe longitudinale partielle de disques du rotor d'une turbine libre d'hélicoptère, avec l'utilisation de vis selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0017] En référence à la vue en coupe partielle de la figure annexée, les disques 10 et 20 forment dans l'exemple illustré une turbine libre 1 à deux étages aubés faisant partie d'une turbomachine d'hélicoptère. Ces disques présentent un axe de rotation X'X coïncidant avec l'axe longitudinal de l'arbre 16 de la turbine 1 sur lequel ils sont montés en porte à faux. [0018] La turbine comporte également une chambre de combustion (non représentée) pour enflammer le mélange kérosène ù air, l'air étant comprimé en amont par le compresseur (non représenté). [0019]Les deux disques 10 et 20 sont liés entre eux par une bride radiale 11 répartie régulièrement autour de l'axe central X'X. La bride 11 présente deux orifices 110, 112 à travers lesquels est réalisée, respectivement, une liaison à chaque disque par couplage vis-écrous 12 et 14. Les serrages se font classiquement entre l'écrou taraudé et une partie filetée des tiges de vis en regard. [0020] L'agencement vis - écrou 12 se compose d'une vis 120 de serrage d'une tige cylindrique filetée 12c sur écrou 122. Cet agencement lie un raccord latéral 102 du disque 10 sur la bride 11 par alignement de leurs orifices présentant un diamètre ajusté sur celui de la tige de vis. [0021]L'autre agencement 14, se compose d'une vis de serrage 140 et d'un écrou de serrage 142. Cet agencement lie la face radiale 202 du disque 20 sur la bride 11 de l'arbre 16 par alignement de leurs orifices présentant un diamètre ajusté sur celui de la tige de vis. [0022] Les vis 120 et 140 présentent des têtes 121 et 141 qui se prolongent, de manière remarquable, par des tétons 12a et 14a centrés sur l'axe des vis, respectivement AA' et BB'. Ces tétons sont destinés à compenser le balourd apporté par des vis sans téton. [0023]Ces tétons sont, dans l'exemple de réalisation, fabriqués et usinés d'origine avec les têtes de vis. De plus, ils permettent d'assurer une correction de l'équilibrage des disques sur champ par enlèvement de matière sur une longueur et une épaisseur appropriée du téton, en fonction de la densité de la matière utilisée et du diamètre du téton, comme l'illustre la zone hachurée 14z du téton 14a. Le retrait de matière est réalisé par tournage / fraisage par tout outil approprié, à commande manuelle ou régulée. [0024] L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté. Il est par exemple possible d'appliquer l'invention sur tout ensemble de pièces 5 liées et montées en rotation, en particulier sur toutes turbomachines d'aéronefs. Par ailleurs les dimensions du téton sont adaptées au type et dimensions de la turbomachine. Revendications1 Procédé d'équilibrage de pièces rotatives montées en liaison multiple par un assemblage à vis ù écrous, caractérisé en ce qu'il consiste à conformer les vis d'assemblage (120, 140) de sorte à présenter une tête (121, 141) se prolongeant en excroissance axiale (12a, 14a) et ajustable pour minimiser une variation de masses des vis de l'assemblage. 2. Procédé d'équilibrage selon la revendication 1, dans lequel, des ensembles de vis étant regroupées par lots, les vis se prolongeant en excroissance axiale constituent ces lots afin de tenir un delta masse par lot n'excédant pas une valeur prédéfinie. 3. Procédé d'équilibrage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, en cas de rupture sous tête, la tête de vis en excroissance reste contenue dans un environnement immédiatement adjacent. 4. Procédé d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un équilibrage final et une correction de balourd sont finalisés par usinage des vis se prolongeant en excroissance axiale et réparties de manière axisymétrique et équidistante à l'axe central (X'X). 5. Vis d'équilibrage de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une tige (12c, 14c) prolongée par une tête (121, 141) et apte à tourner selon un axe longitudinal (A'A, B'B) coïncidant avec l'axe de la tige de vis (12, 14c), caractérisée en ce qu'elle présente, du côté opposé à la tige (12c, 14c) une excroissance sur l'axe longitudinal configurée sous une forme de téton (12a, 14a). 6. Vis d'équilibrage selon la revendication précédente, dans laquelle le téton est fabriqué avec la vis pour former une seule pièce. 7. Vis d'équilibrage selon la revendication précédente, dans laquelle le téton est usiné par tournage et/ou fraisage afin de lui conférer une forme cylindrique et tenir une tolérance de masse prédéfinie. 8. Vis d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle le téton est rectifié sur champ par enlèvement de matière par tournage et/ou fraisage afin d'affiner un équilibrage ou de corriger un balourd. 9. Rotor de turbomachine comportant au moins deux disques équilibrés par mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 à l'aide d'assemblage(s) de vis d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications 5 à 8. 10. Application du procédé d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 aux turbomachines, en particulier aux turbines libres, par montage des disques de rotors à l'aide de vis d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications 5 à 8.25