Brevet FR2955142A1 — publié le 20110715

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des aubes en matériau composite d'une roue mobile de turbomachine. Elle concerne plus particulièrement l'amortissement des vibrations apparaissant en fonctionnement entre les talons de deux aubes adjacentes d'une roue mobile. Une roue mobile de turbomachine, comme par exemple une roue mobile d'un étage de turbine basse-pression d'un turboréacteur, comprend un disque sur lequel sont montées une pluralité d'aubes. Au niveau de leur extrémité radiale libre, les aubes présentent chacune un élément transversal, appelé talon, qui a notamment pour fonction de délimiter à l'extérieur la veine d'écoulement du flux gazeux traversant la turbine. Le talon d'une telle aube comporte un bord amont et un bord aval orientés perpendiculairement au sens d'écoulement du flux gazeux. Ces bords sont reliés entre eux par l'intermédiaire de deux bords latéraux avec lesquels le talon de l'aube vient en contact avec les talons des deux aubes de la roue mobile qui lui sont directement adjacentes. Généralement, dans le cas d'aubes métalliques, ces bords latéraux ont un profil dit en Z, c'est-à-dire qu'ils comportent chacun deux portions axiales reliées entre elles par une portion sensiblement transversale. En effet, afin d'amortir les vibrations auxquelles elles sont soumises lors du fonctionnement de la turbine, il est connu de monter les aubes sur le disque avec une contrainte de torsion autour de leur axe principal. Au niveau du talon d'une aube particulière, cette contrainte de torsion se traduit par une mise en contact des portions transversales du talon de l'aube avec les portions transversales des talons des aubes voisines. Les efforts de contact et de frottement ainsi générés au niveau des talons des aubes permettent de dissiper l'énergie vibratoire résultant du fonctionnement de la turbine. Un tel amortissement des vibrations n'est cependant pas applicable aux roues mobiles dont les aubes sont en matériau composite. En particulier, dans le cas d'une aube en CMC (composite à matrice céramique), les contraintes générées par une mise en torsion de l'aube sont trop élevées au regard des capacités du matériau composite. Par ailleurs, le recours à des aubes en matériau composite a également pour inconvénient d'engendrer de fortes marches ou d'importants débattements entre les talons d'aubes adjacentes en cas de basculement des aubes entre elles. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant d'amortir efficacement les vibrations entre talons d'aubes adjacentes en matériau composite sans générer de contraintes excessives dans les aubes. Ce but est atteint grâce à un amortisseur de vibrations entre talons d'aubes adjacentes en matériau composite d'une roue mobile de turbomachine, comprenant un pion de forme axisymétrique ayant à chacune de ses deux extrémités une portion sensiblement sphérique, et deux inserts creux destinés à être logés dans des cavités tangentielles qui sont pratiquées en regard l'une de l'autre dans les talons de deux aubes adjacentes en matériau composite d'une roue mobile de turbomachine, chaque portion sphérique du pion venant en appui ponctuel à l'intérieur de l'un des inserts. En fonctionnement, les portions sphériques des pions viennent frotter contre les parois des inserts contre lesquelles elles sont en appui. Ce frottement permet ainsi de dissiper l'énergie vibratoire liée à la rotation de la roue mobile. Aucune contrainte n'est appliquée sur les aubes pour obtenir une telle dissipation d'énergie. La durée de vie des aubes s'en trouve augmentée. En cas de basculement des aubes entre elles, un tel amortisseur de vibrations permet également de pouvoir encaisser d'importants décalages radiaux entre les talons des aubes. Par ailleurs, cet amortisseur ne dégrade pas les performances de la roue mobile (la veine d'écoulement du flux gazeux traversant la roue n'est pas modifiée par la présence de l'amortisseur). Le montage et le démontage de l'amortisseur sont aussi aisés et l'ajout de masse réduit. Selon une disposition avantageuse, la masse du pion est comprise entre 2% et 6% - et correspond de préférence à 5% - de la masse de l'aube dans laquelle est monté un insert. Selon une autre disposition avantageuse, l'amortisseur comporte en outre des moyens de verrouillage de l'une des portions sphériques du pion à l'intérieur de l'insert correspondant. Ainsi, comme l'une des extrémités du pion est verrouillée à l'intérieur d'un talon d'aube, il n'y a aucun risque pour que le pion se désengage des talons des aubes en cas de débattement très important entre les talons des aubes. Un tel amortisseur muni de ces moyens de verrouillage est donc particulièrement adapté aux roues mobiles dans lesquelles le risque de débattements importants est élevé entre les talons des aubes. Dans ce cas, l'une des portions sphériques du pion peut comprendre une butée formant clé apte à venir, lorsque le pion est pivoté, en butée tangentielle contre un rebord de l'insert correspondant de façon à assurer un verrouillage de cette portion sphérique du pion à l'intérieur dudit insert. L'amortisseur peut alors comprendre des moyens d'antirotation de l'autre portion sphérique du pion à l'intérieur de l'insert correspondant. Selon encore une autre disposition avantageuse, les inserts comportent chacun un trou de forme oblongue à l'intérieur duquel les portions sphériques du pion viennent en appui. De préférence, le pion est en métal et les inserts sont en carbure de silicium. L'invention concerne également un élément de roue mobile de turbomachine comprenant une paire d'aubes adjacentes en matériau composite comprenant chacune à une extrémité radiale libre un talon ayant une cavité qui s'étend selon une direction tangentielle à la roue mobile, les cavités des talons débouchant sur des bords adjacents des talons en regard l'une de l'autre, et un amortisseur de vibrations tel que défini précédemment qui est disposé entre les talons des deux aubes, les inserts creux de l'amortisseur étant logés dans les cavités des talons des deux aubes. L'invention concerne encore une roue mobile de turbomachine comprenant une pluralité d'éléments tels que définis précédemment. Enfin, l'invention concerne aussi une turbomachine comprenant au moins une telle roue mobile. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 montre de façon schématique le montage d'un amortisseur de vibrations selon un mode de réalisation de l'invention dans le talon d'une aube en matériau composite ; - la figure 2 est une vue de dessus de deux aubes adjacentes avec l'amortisseur de vibrations de la figure 1 entre les talons de ces aubes ; - les figures 3 et 4 sont des vues en coupe de la figure 2, respectivement selon III-III et IV-IV ; - les figures 5A et 5B montrent comment réagit l'amortisseur de vibrations de la figure 1, respectivement en cas de décalage radial et d'écartement entre les aubes ; - la figure 6 représente le montage d'un amortisseur de vibrations selon un autre mode de réalisation de l'invention dans le talon d'une aube en matériau composite ; - la figure 7 est une vue en coupe de deux aubes adjacentes avec l'amortisseur de vibrations de la figure 6 entre les talons de ces aubes ; - les figures 8A et 8B sont des vues de côté d'un talon d'aube montrant le verrouillage et l'anti-rotation de l'amortisseur de la figure 6 ; et - les figures 9A et 9B montrent comment réagit l'amortisseur de vibrations de la figure 6, respectivement en cas d'écartement axial et tangentiel entre les aubes. Description détaillée de modes de réalisation L'invention est applicable à différents types d'aubes de turbomachine, notamment des aubes de compresseur et de turbine de différents corps de turbines à gaz, par exemple à une aube de roue mobile d'un étage de turbine basse-pression, telle que celle illustrée par la figure 1. De façon bien connue en soi, la roue mobile 10 d'un étage de turbine basse-pression comprend un rotor de turbine 12 (partiellement représenté) d'axe de rotation X-X et sur lequel sont montées plusieurs aubes 14 sensiblement identiques les unes aux autres (en terme de r composition, masse, dimensions et forme géométrique). Pour des raisons de simplification, une seule aube est représentée sur la figure 1. L'aube 14 de la figure 1 comprend une pale 16, un pied 18, par exemple à section en forme de bulbe, prolongé par une échasse 20, une plateforme intérieure 22 située entre l'échasse et la pale, et un talon 24 situé au voisinage de l'extrémité libre de la pale. La pale 16 s'étend en direction longitudinale entre la plateforme 22 et le talon 24 et présente en section transversale un profil incurvé entre son bord d'attaque 16a et son bord de fuite 16b. L'aube 14 est montée sur le rotor de turbine 12 par engagement de son pied 18 dans un logement 26 de forme correspondante aménagé à la périphérie du rotor. A son extrémité radiale externe, la pale 16 se raccorde au talon 24 sur une face intérieure 28 du talon qui délimite, à l'extérieur, la veine d'écoulement du flux gazeux traversant la turbine. Dans ses parties d'extrémité amont et aval (dans le sens f d'écoulement du flux gazeux), le talon se termine par des becquets de recouvrement 30. Du côté externe, le talon porte des léchettes 32 à profil en forme de dents dont les extrémités peuvent pénétrer dans une couche de matériau abradable d'un anneau de turbine (non représenté) pour réduire le jeu entre le sommet d'aube et l'anneau de turbine. Le talon 24 de l'aube est de forme sensiblement parallélépipédique avec un bord amont 24a et un bord aval 241) orientés perpendiculairement au sens d'écoulement du flux gazeux et reliés par des deux bords latéraux 24c avec lesquels le talon vient en contact avec les talons des deux aubes de la roue mobile qui lui sont directement adjacentes. L'aube illustrée sur la figure 1 est réalisée en matériau composite, par exemple en CMC, à partir d'un procédé de fabrication tel que celui décrit par exemple dans la demande de brevet français n° 09 58931 déposée le 14 décembre 2009 conjointement par Snecma et Snecma Propulsion Solide. Le procédé décrit dans cette demande de brevet présente la particularité que l'ébauche fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel est mise en forme pour obtenir une préforme fibreuse en une seule pièce ayant une première partie formant préforme de pale 16 et pied 18 d'aube, une deuxième partie formant préforme de plateforme 22 ou talon 24, et une troisième partie formant préforme de renfort de plateforme ou préforme de becquets de recouvrement 30 de talon. Ainsi, après densification de la préforme, on obtient une aube en matériau composite ayant un renfort fibreux constitué par la préforme et densifié par la matrice, et formant une seule pièce avec plateforme et/ou talon intégrés. Bien entendu, d'autres procédés de fabrication d'une aube en matériau composite peuvent être utilisés pour la réalisation des aubes. En fonctionnement, les aubes 14 de la roue mobile 10 sont soumises à des vibrations qu'il est nécessaire d'amortir. A cet effet, il est prévu de loger des amortisseurs de vibrations entre les talons des aubes adjacentes. En liaison avec les figures 1 à 4, 5A et 5B, on décrira maintenant un premier mode de réalisation d'un amortisseur de vibrations selon l'invention. Chaque amortisseur de vibrations 100 selon ce premier mode de réalisation comprend notamment un pion 102 et deux inserts creux 104 qui sont logés dans des cavités 34 pratiquées en regard l'une de l'autre dans les talons 24 de deux aubes adjacentes de la roue mobile. Chaque pion 102 vient s'intercaler transversalement entre les talons de deux aubes adjacentes. Les cavités 34 pratiquées dans les talons des aubes s'étendent angulairement (c'est-à-dire selon une direction sensiblement circonférentielle à la roue mobile) pour déboucher chacune sur l'un des bords latéraux 24c du talon d'une aube. Par ailleurs, elles s'étendent de préférence axialement entre deux léchettes 32 des talons. Les inserts 104 sont réalisés en matériau composite, par exemple en carbure de silicium fritté. Ils sont avantageusement obtenus par tissage tridimensionnel d'une ébauche fibreuse qui est mise en forme pour obtenir une préforme ayant la forme désirée. Au cours du procédé de fabrication de l'aube, ces préformes d'inserts sont alors introduites circonférentiellement entre les deux couches de la préforme fibreuse formant préforme de talon et préforme de becquets de recouvrement de talon, la couche externe étant déformée et la couche interne inchangée (pour ne pas modifier la veine d'écoulement du flux gazeux). L'ensemble est ensuite densifié et des trous 106 de forme oblongue sont percés dans chaque insert 104 pour recevoir un pion 102. Le pion 102 est par exemple métallique. Il est axisymétrique et présente à chacune de ses deux extrémités une portion 108 sensiblement sphérique, ces portions sphériques 108 étant reliées par une portion centrale 110 de diamètre inférieur. Chacune de ses portions sphériques 108 vient en appui ponctuel à l'intérieur du trou 106 d'un insert 104 (un tel appui ponctuel résulte de la forme oblongue des trous 106 dans les inserts et de la forme sphérique des extrémités des pions û voir la figure 4). En fonctionnement, sous l'effet de la force centrifuge, les portions sphériques 108 des pions 102 qui sont en appui ponctuel à l'intérieur des inserts 104 viennent frotter contre les parois des trous oblongs 106 et dissipent ainsi l'énergie vibratoire résultant de la rotation de la roue. Comme représenté sur la figure 5A, le contact des portions sphériques des pions à l'intérieur des inserts permettant de dissiper l'énergie vibratoire est continu, même en cas de fortes marches radiales (aussi appelées débattements, schématisés par les flèches F1 sur la figure 5A) entre les talons de deux aubes adjacentes. De même, comme représenté sur la figure 5B, les pions 102 peuvent combler d'importants écartements (dans le sens tangentiel) entre les talons de deux aubes adjacentes (l'écartement est schématisé par les flèches F2 sur la figure 5B). De tels écartements peuvent résulter d'un basculement en sens opposé des aubes entre elles. Toutefois, étant donné que chaque pion 102 est libre de pouvoir se désengager des inserts 104 dans lesquels il est monté, il conviendra, dans ce mode de réalisation, de lui donner une longueur correspondant à environ 2,5 à 3 fois l'écartement maximal que peut subir les talons de deux aubes adjacentes. Chaque pion 102 possède une masse qui est comprise entre 2% et 6% - et de préférence égale à 5% - de la masse M de l'aube 14 dans laquelle est monté un insert 104 (c'est-à-dire que la masse M est égale à la masse de l'aube à laquelle s'ajoute la masse d'un insert 104 d'amortisseur). Une telle masse permet aux pions de parfaitement remplir leur fonction d'amortisseurs de vibrations. On notera également les inserts permettent aussi d'éviter qu'en fonctionnement les pions métalliques ne viennent user directement les talons des aubes en CMC entre lesquels ils sont montés. En liaison avec les figures 6 à 8, 9A et 9B, on décrira maintenant un second mode de réalisation d'un amortisseur de vibrations selon l'invention. Seules les différences avec le premier mode de réalisation seront détaillées ci-après. Ce second mode de réalisation se distingue du premier notamment en ce qu'il est prévu des moyens de verrouillage de l'une des portions sphériques du pion à l'intérieur de l'insert correspondant. A cet effet, le pion 102' de l'amortisseur de vibrations 100' comprend au niveau de l'une de ses portions sphériques 108' une excroissance ou butée 112' formant clé, cette excroissance étant dimensionnée pour pouvoir passer à l'intérieur des trous oblongs 106' pratiqués dans les inserts 104' (figure 8A). Par ailleurs, l'insert 104' recevant cette portion sphérique à clé du pion comprend un rebord 114' contre lequel la butée 112' du pion peut venir en butée axiale. Dans l'exemple représenté sur la figure 6 notamment, ce rebord 114' de l'insert est formé par une entaille pratiquée à l'extrémité de l'insert. Le mode opératoire du verrouillage du pion dans l'insert est le suivant. La portion sphérique 108' du pion 102' présentant la butée 112' est introduite dans le trou oblong 106' de l'insert correspondant. Une fois le pion introduit complètement dans l'insert, il est pivoté d'un quart de tour autour de son axe longitudinal (dans le sens de la flèche S sur la figure 8A) pour permettre à la butée de venir en butée tangentielle contre le rebord 114' de l'insert (voir également les figures 9A et 9B). Le pion 102' est alors verrouillé dans l'insert 104' : sa portion sphérique présentant la butée 112' ne peut plus se désengager de celui-ci, sauf à être à nouveau pivotée d'un quart de tour dans le sens inverse. Une fois le pion ainsi verrouillé, son autre extrémité est introduite dans l'insert 104' logé dans la cavité 34 pratiquée dans le talon de l'aube adjacente. Par rapport au premier mode de réalisation, l'amortisseur de vibrations selon ce second mode de réalisation de l'invention présente l'avantage qu'il n'y a plus aucun risque pour que le pion se désengage des talons des aubes en cas de débattement très important entre les talons des aubes. Un tel amortisseur muni d'un tel verrouillage du pion est donc particulièrement adapté aux roues mobiles dans lesquelles le risque de débattements importants est élevé entre les talons des aubes. L'amortisseur de vibrations selon ce second mode de réalisation de l'invention comprend également de façon avantageuse des moyens d'anti-rotation de l'autre portion sphérique du pion (c'est-à-dire de la portion sphérique du pion qui n'est pas verrouillée) à l'intérieur de l'insert correspondant, ceci afin d'éviter tout rotation intempestive du pion pouvant conduire à son désengagement du talon des aubes. Une telle anti-rotation peut être réalisée en donnant à cette portion sphérique du pion une forme pouvant lui permettre de coulisser à l'intérieur du trou oblong 106' de l'insert 104' correspondant, tout en l'empêchant de pouvoir tourner autour de son axe longitudinal. Ainsi, dans l'exemple illustré sur la figure 9B, la portion sphérique 108' du pion comprend deux boursouflures 116' lui donnant une section droite qui n'est plus circulaire de sorte que dans la position représentée sur la figure 9B, la portion sphérique du pion ne peut pas pivoter sur elle-même dans le trou oblong 106' de l'insert. L'amortissement des vibrations au moyen de l'amortisseur 100' selon ce second mode de réalisation de l'invention est obtenu par frottement sous l'effet de la force centrifuge des portions sphériques du pion contre les parois des trous oblongs des inserts, ce frottement dissipant ainsi l'énergie vibratoire résultant de la rotation de la roue. Comme représenté sur la figure 9A, le contact des portions sphériques des pions à l'intérieur des inserts permettant de dissiper l'énergie vibratoire est continu, notamment en cas d'écartement axial entre les talons de deux aubes adjacentes (cet écartement, qui peut résulter d'un basculement d'un même côté des aubes entre elles, est schématisé par les flèches F3 sur la figure 9A). Dans la position extrême représentée sur cette figure 9A, on notera que les trous oblongs 106' des inserts 104' sont dimensionnés pour éviter tout contact pouvant engendrer des interférences néfastes entre la portion centrale 110' du pion et les parois de ces trous des inserts. De même, comme représenté sur la figure 9B, les pions 102 peuvent combler d'importants écartements (dans le sens tangentiel) entre les talons de deux aubes adjacentes. Un tel écartement, qui peut résulter d'un basculement en sens opposé des aubes entre elles, est schématisé par les flèches F4 sur la figure 9B. On notera que chaque pion 102' de l'amortisseur de vibration 100' selon ce second mode de réalisation possède une masse qui est comprise entre 2% et 6% - et de préférence égale à 5% - de la masse M de l'aube 14 dans laquelle est monté un insert 104' (c'est-à-dire que la masse M est égale à la masse de l'aube à laquelle s'ajoute la masse d'un insert 104' d'amortisseur). Une telle masse permet aux pions de parfaitement remplir leur fonction d'amortisseurs de vibrations. REVENDICATIONS1. Amortisseur de vibrations (100, 100') entre talons (24) d'aubes (14) adjacentes en matériau composite d'une roue mobile de turbomachine, comprenant un pion (102, 102') ayant à chacune de ses deux extrémités une portion (108, 108') sensiblement sphérique, et deux inserts creux (104, 104') destinés à être logés dans des cavités (34) tangentielles qui sont pratiquées en regard l'une de l'autre dans les talons de deux aubes adjacentes en matériau composite d'une roue mobile de turbomachine, chaque portion sphérique du pion venant en appui ponctuel à l'intérieur de l'un des inserts. 2. Amortisseur (100') selon la revendication 1, comportant en outre des moyens de verrouillage de l'une des portions sphériques (108') 15 du pion (102') à l'intérieur de l'insert (104') correspondant. 3. Amortisseur selon la revendication 2, dans lequel l'une des portions sphériques (108') du pion (102') comprend une butée (112') formant clé apte à venir, lorsque le pion est pivoté, en butée tangentielle 20 contre un rebord (114') de l'insert correspondant de façon à assurer un verrouillage de cette portion sphérique du pion à l'intérieur dudit insert. 4. Amortisseur selon la revendication 3, comprenant en outre des moyens d'anti-rotation de l'autre portion sphérique du pion à 25 l'intérieur de l'insert correspondant. 5. Amortisseur (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la masse du pion (102, 102') est comprise entre 2% et 6% de la masse de l'aube (14) dans laquelle est 30 monté un insert (104, 104'). 6. Amortisseur (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la masse du pion (102, 102') correspond à 5% de la masse de l'aube (14) dans laquelle est monté un insert (104, 35 104'). 7. Amortisseur (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les inserts (104, 104') comportent chacun un trou (106, 106') de forme oblongue à l'intérieur duquel les portions sphériques du pion viennent en appui. 8. Amortisseur (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le pion (102, 102') est en métal et les inserts (104, 104') sont en carbure de silicium. 10 9. Elément de roue mobile de turbomachine comprenant : une paire d'aubes (14) adjacentes en matériau composite comprenant chacune à une extrémité radiale libre un talon (24) ayant une cavité (34) qui s'étend selon une direction tangentielle à la roue mobile, les cavités des talons débouchant sur des bords (24c) adjacents des talons 15 en regard l'une de l'autre, et un amortisseur de vibrations (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 qui est disposé entre les talons des deux aubes, les inserts creux (104, 104') de l'amortisseur étant logés dans les cavités des talons des deux aubes. 20 10. Elément selon la revendication 9, dans lequel les aubes sont en matériau composite à matrice céramique. 11. Elément selon l'une des revendications 9 et 10, dans lequel 25 les cavités (34) des talons (24) des aubes s'étendent axialement entre deux léchettes d'étanchéité (32) des talons. 12. Roue mobile de turbomachine comprenant une pluralité d'éléments selon l'une quelconque des revendications 9 à 11. 13. Turbomachine comprenant au moins une roue mobile selon la revendication 12. 30