Brevet FR2949858A1 — publié le 20110311

"Dispositif et procédé d'équilibrage" La présente invention se rapporte à un dispositif et procédé d'équilibrage de pièces rotatives. Un problème persistant dans le domaine mécanique est celui de l'équilibrage de pièces rotatives. Lorsque le centre de masse d'une pièce rotative est déplacé par rapport à l'axe de rotation de la pièce, les forces centrifuges peuvent entraîner des vibrations ou, au pire des cas, la destruction de la pièce. Ce problème est particulièrement critique dans des pièces tournant à très grande vitesse, telles que, par exemple, les arbres rotatifs des turbomachines. À cause de leur très grande vitesse de rotations, des tels arbres rotatifs doivent être équilibrés avec une précision supérieure à celle permise par les tolérances d'usinage. Afin de permettre cet équilibrage, des tels arbres comportent conventionnellement des logements distribués radialement autour de l'arbre afin de recevoir des masses d'équilibrage. Cette solution présente toutefois plusieurs inconvénients. D'abord, l'usinage des logements et le placement des masses d'équilibrage signifient des étapes de production additionnelles augmentant les coûts de production. Ensuite, les logements et les masses d'équilibrage augmentent la masse et l'encombrement de l'arbre. Quand l'arbre rotatif est celui d'une turbomachine destinée à la propulsion d'un engin aéronautique ou spatial, une telle augmentation de la masse et de l'encombrement est particulièrement indésirable. Un objet de la présente invention est donc d'assurer l'équilibrage d'une pièce rotative de manière plus simple tout en limitant l'impact sur la masse et l'encombrement totaux. Il est courant, pour des pièces rotatives comme par exemple des arbres de turbomachines, d'être formées par plusieurs éléments coaxiaux présentant des brides radiales reliées par des séries de boulons traversant des orifices distribués radialement autour de l'axe de rotation. Chaque boulon présente une tige partiellement filetée et en engagement avec un écrou prenant appui sur une surface radiale d'une première bride radiale. Ladite tige partiellement filetée traverse un orifice axial dans ladite première bride radiale, et un orifice axial sensiblement aligné dans au moins une autre bride radiale. Du côté opposé à l'écrou, le boulon présente une tête pour prendre appui sur une surface externe d'une autre bride radiale et ainsi serrer ensemble les brides radiales traversées par le boulon. Afin d'éviter d'endommager l'intérieur des orifices des brides radiales par contact avec le filetage du boulon, le filetage du boulon ne commence qu'au-delà de la surface externe de la bride radiale, la tige présentant, sur une longueur supérieure à la profondeur totale des orifices alignés traversés par cette tige, une surface externe sensiblement lisse. Afin que l'écrou puisse toutefois prendre appui sur la surface externe de la bride radiale de l'élément coaxial, une embase chambrée solidaire avec l'écrou et présentant un orifice traversant de diamètre supérieur au filetage interne de l'écrou écarte le filetage interne de l'écrou de ladite surface externe, tout en transmettant les efforts axiaux entre le filetage de l'écrou et la bride. La présente invention résout le problème susmentionné avec un dispositif d'équilibrage comportant un écrou et une embase chambrée solidaire dudit écrou, ladite embase chambrée présentant un orifice traversant de diamètre supérieur au diamètre du filetage interne de l'écrou, et comportant une masse d'équilibrage. En incorporant la masse d'équilibrage à ladite embase chambrée, il devient possible d'équilibrer la pièce rotative, c'est-à-dire de centrer son centre de masse sur son axe de rotation, sans devoir ménager des logements dans la pièce rotative pour recevoir des masses d'équilibrage séparées. De préférence, ladite masse d'équilibrage peut être formée par une zone du segment pouvant être usinée sans nuire à la capacité de l'embase chambrée à transmettre une charge axiale prédéterminée de l'écrou. Ainsi, la masse d'équilibrage pourra être réduite par usinage pour assurer l'équilibrage correct de la pièce rotative. De préférence encore, ladite masse d'équilibrage peut être formée par une épaisseur radiale extérieure usinable de l'embase chambrée. Ainsi, la masse d'équilibrage pourra être réduite par tournage partiel ou complet de cette épaisseur radiale. De préférence, ladite embase chambrée est intégrée audit écrou. Ainsi, l'écrou et la masse d'équilibrage forment une seule pièce, facilitant ainsi le montage et l'équilibrage de la pièce rotative. Selon un autre mode de réalisation, ladite 30 embase chambrée est en contact avec ledit écrou sur une surface de centrage pour maintenir le centrage de l'embase chambrée par rapport à un axe longitudinal du 25 filetage de l'écrou. Ainsi l'écrou et l'embase chambrée peuvent être des pièces séparées mais tenues solidaires par la charge axiale de l'écrou lorsque l'écrou est serré. De préférence, ledit écrou peut présenter, d'un côté axialement opposé à ladite embase chambrée, un frein pour empêcher le desserrage de l'écrou. La présente invention se rapporte aussi à une pièce rotative comportant au moins une première bride radiale dans un plan sensiblement perpendiculaire à un axe de rotation de ladite pièce, ladite bride comportant une pluralité d'orifices sensiblement axiaux distribués autour dudit axe de rotation, et une pluralité de boulons dont la tige traverse un de ces orifices et est retenue par un écrou présentant un filetage interne en engagement avec un filetage externe du boulon, et une embase chambrée solidaire de l'écrou et présentant un orifice traversant de diamètre supérieur à la tige du boulon, ladite embase chambrée étant interposée entre chaque écrou et une surface radiale de ladite bride, et au moins deux desdites embases chambrées présentant des masses sensiblement différentes. De préférence, lesdites embases chambrées peuvent présenter des longueurs sensiblement égales. Ainsi, l'élasticité des ensembles boulon-écrou n'est pas affectée. De préférence, ladite pièce rotative peut comporter au moins une autre bride radiale, présentant une pluralité d'orifices axiaux sensiblement alignés avec ceux de la première bride et traversés par les tiges desdits boulons de manière à ce que lesdites brides radiales soient reliées. De préférence, ladite pièce rotative est un arbre rotatif. En particulier, ledit arbre rotatif est un arbre rotatif de turbomachine. La présente invention se rapporte aussi à un procédé d'équilibrage d'une pièce rotative comportant au moins une première bride radiale dans un plan sensiblement perpendiculaire à un axe de rotation de ladite pièce, ladite bride comportant une pluralité d'orifices sensiblement axiaux distribués autour dudit axe de rotation, et une pluralité de boulons dont la tige traverse un de ces orifices et est retenue par un écrou présentant un filetage interne en engagement avec un filetage externe du boulon, et une embase chambrée solidaire de l'écrou et présentant un orifice traversant de diamètre supérieur à la tige du boulon étant interposée entre chaque écrou et une surface radiale de ladite bride, la pièce étant équilibrée en utilisant au moins deux embases chambrées de masses différentes. De préférence, la masse d'au moins une desdites deux embases chambrées peut être réduite par usinage. Des détails concernant l'invention sont décrits ci-après faisant référence aux dessins. La figure 1 présente une vue en perspective d'une pièce rotative suivant un mode de réalisation de 25 l'invention ; la figure 2 présente une coupe longitudinale de la pièce rotative de la figure 1 : la figure 3 présente un dispositif d'équilibrage de la pièce rotative de la figure 1 ; 30 les figures 4a-4f présentent des dispositifs d'équilibrage comme celui de la figure 3 ayant été partiellement ou totalement usinés pour réduire leurs masses d'équilibrage ; la figure 5 présente un mode de réalisation alternatif du dispositif d'équilibrage de la figure 3. Les figures 1 et 2 présentent une pièce rotative sous la forme d'un arbre rotatif 1 de turbomachine comportant trois éléments coaxiaux, dont un élément central 2 et deux éléments périphériques 3 et 4 agencés pour recevoir des aubages. Les trois éléments coaxiaux 2, 3 et 4 sont reliés par des brides radiales, respectivement 5, 6 et 7. Chaque bride radiale 5, 6, 7 présente une pluralité d'orifices axiaux, respectivement 8, 9 et 10, distribués autour de l'axe de rotation de l'arbre 1. Les orifices 8, 9 et 10 des trois brides 5, 6 et 7 sont alignés et traversés par des boulons 11 serrant ensemble les trois brides 5, 6, 7 de manière à joindre les trois éléments coaxiaux 2, 3 et 4. Chaque boulon 11 présente une tête 12 prenant appui sur une surface radiale externe 13 de la bride 7, ainsi qu'une tige 14 partiellement filetée, et dont le filetage externe est en engagement avec le filetage interne d'un écrou 15. Comme illustré sur la figure 3, afin d'éviter que pendant le fonctionnement de la turbomachine le filetage du boulon 11 entre en contact avec la surface interne des orifices 8, 9 ou 10, ce qui pourrait les endommager, le filetage du boulon 11 ne commence qu'une distance d au-delà de la surface radiale externe 16 de la bride 6. Pour que l'écrou 15 puisse toutefois prendre appui sur ladite surface 16, il comporte une embase chambrée 17 entre son filetage interne et la surface 16. Ladite embase chambrée 17 présente un orifice traversant 23 de plus grand diamètre que le boulon 11. Autour du filetage interne, l'écrou 15 comporte une surface facettée 18 pour serrer et desserrer l'écrou 15. Sur son embase chambrée 17, l'écrou comporte toutefois une épaisseur radiale extérieure 19 formant une masse d'équilibrage de 1,75 g. Pour adapter cette masse d'équilibrage, cette épaisseur 19 peut être partiellement ou totalement usinée, par exemple par tournage. Du côté opposé à l'embase chambrée 17, l'écrou 15 présente aussi un frein 20 pour éviter le desserrage spontané de l'écrou 15. Des tels freins, comme par exemple les freins Nylstop�, sont bien connus de l'homme du métier. Sur les Figures 4a-4f, l'écrou 15 est illustré avec différents niveaux d'usinage de l'épaisseur 19 de manière à obtenir des masses d'équilibrage différentes. Ainsi, sur la figure 4a, l'épaisseur 19 n'est pas usinée, et la masse totale de l'écrou est de 8 g. Sur la figure 4b, l'épaisseur 19 a été éliminée par usinage sur deux septièmes de la longueur de l'embase chambrée 17, réduisant ainsi la masse totale de l'écrou 15 à 7,5 g. Sur la figure 4c, l'épaisseur 19 a été éliminée sur quatre septièmes de la longueur de l'embase 17, réduisant la masse totale de l'écrou 15 à 7 g. Sur la figure 4d, l'épaisseur 19 a été éliminée sur cinq septièmes de la longueur de l'embase 17, réduisant la masse totale de l'écrou 15 à 6,75 g. Sur la figure 4e, l'épaisseur 19 a été éliminée sur six septièmes de la longueur de l'embase 17, réduisant la masse totale de l'écrou 15 à 6,5 g. Finalement, sur la figure 4f, l'épaisseur 19 a été éliminée sur toute la longueur de l'embase 17, réduisant la masse totale de l'écrou 15 à 6,25 g. Toutefois, même quand l'épaisseur 19 est entièrement éliminée, comme illustré sur cette dernière figure 4f, l'épaisseur restante de l'embase chambrée 17 permet encore de transmettre une charge axiale prédéterminée après serrage de l'écrou 15. De cette manière, il est possible d'obtenir un jeu d'écrous 15 de longueurs identiques et masses différentes. En jouant sur la masse de chacun des écrous 15 utilisés pour retenir les boulons 11 reliant les brides 5, 6 et 7, et donc les éléments coaxiaux 2, 3 et 4 il est possible d'équilibrer l'arbre rotatif 1 autour de son axe de rotation. Dans un autre mode de réalisation, illustré sur la figure 5, et identique à celui de la figure 3 en tout autre aspect, l'embase chambrée 17 n'est pas intégrée à l'écrou 15, mais forme une pièce séparée. Toutefois, une surface de contact inclinée 21 entre l'écrou 15 et l'embase chambrée 17 assure le centrage de celle-ci sur l'axe longitudinal 22 du filetage de l'écrou 15, de telle manière que les deux pièces soient solidaires quand l'écrou 15 est serré. 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 REVENDICATIONS1.Dispositif d'équilibrage comportant un écrou (15) présentant un filetage interne, et une embase chambrée (17) solidaire dudit écrou (15), ladite embase chambrée (17) présentant un orifice traversant (23) de diamètre supérieur au diamètre du filetage interne de l'écrou (15), et caractérisé en ce que ladite embase chambrée comporte une masse d'équilibrage (19). 2.Dispositif d'équilibrage selon la revendication 1, dans lequel ladite masse d'équilibrage (19) est formée par une zone de l'embase (17) pouvant être usinée sans nuire à la capacité de l'embase chambrée (17) à transmettre une charge axiale prédéterminée de l'écrou (15). 3.Dispositif d'équilibrage selon la revendication 2, dans lequel ladite masse d'équilibrage (19) est formée par une épaisseur radiale extérieure 20 usinable de l'embase chambrée (17). 4.Dispositif d'équilibrage selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite embase chambrée (17) est intégrale audit écrou (15). 5.Dispositif d'équilibrage selon une quelconque 25 des revendications 1 à 3, dans lequel ladite embase chambrée (17) contacte ledit écrou (15) sur une surface de centrage (21) pour maintenir le centrage de l'embase chambrée (17) par rapport à un axe longitudinal (22) du filetage de l'écrou (15). 30 6.Dispositif d'équilibrage selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit écrou (15) présente, d'un côté axialement opposé à laditeembase chambrée (17), un frein (20) pour empêcher le desserrage de l'écrou (15). 7.Pièce rotative (1) comportant au moins une première bride radiale (6) dans un plan sensiblement perpendiculaire à un axe de rotation de ladite pièce, ladite bride (6) comportant une pluralité d'orifices (8) sensiblement axiaux distribués autour dudit axe de rotation, et une pluralité de boulons (11) dont chacun comporte une tige (14), dont chacune traverse un des orifices (8) et est retenue par un dispositif d'équilibrage suivant une quelconque des revendications précédentes, le filetage interne de l'écrou (15) étant en engagement avec un filetage externe partiel de la tige (14), l'embase chambrée (17) étant interposée entre le filetage de l'écrou (15) et une surface radiale (16) de ladite bride (6), et au moins deux desdites embases chambrées (17) présentant des masses sensiblement différentes. 8.Pièce rotative (1) selon la revendication 7, 20 dans laquelle lesdites embases chambrées (17) présentent des longueurs sensiblement égales. 9.Pièce rotative (1) selon une quelconque des revendications 7 ou 8, comportant au moins une autre bride radiale (5,7), présentant une pluralité d'orifices 25 axiaux (9,10) sensiblement alignés avec les orifices (8) de la première bride (6) et traversés par les tiges (14) desdits boulons (11) de manière à ce que lesdites brides radiales (5, 6, 7) soient reliées. 10.Pièce rotative (1) selon une quelconque des 30 revendications 7 à 9, ladite pièce rotative (1) étant un arbre rotatif. 11.Pièce rotative (1) selon la revendication 10, ledit arbre rotatif étant un arbre rotatif de turbomachine. 12.Turbomachine comportant un arbre rotatif 5 selon la revendication 11. 13.Procédé d'équilibrage d'une pièce rotative (1) comportant au moins une première bride radiale (6) dans un plan sensiblement perpendiculaire à un axe de rotation de ladite pièce (1), ladite bride (6) comportant 10 une pluralité d'orifices (8) sensiblement axiaux distribués autour dudit axe de rotation, et une pluralité de boulons (11) dont chacun comporte une tige (14), la tige (14) de chaque boulon (11) traverse un des orifices (8) et est retenue par un écrou (15) présentant un 15 filetage interne en engagement avec un filetage externe de la tige (14), une embase chambrée (17) solidaire de l'écrou (15) et présentant un orifice traversant (23) de diamètre supérieur à la tige (14) étant interposé entre chaque écrou (15) et une surface radiale (16) de ladite 20 bride, la pièce (1) étant équilibrée en utilisant au moins deux embases chambrées (17) de masses différentes. 14.Procédé d'équilibrage selon la revendication 13, dans lequel la masse d'au moins une embase chambrée (17) desdites deux embases chambrées de différentes 25 masses est réduite par rapport à au moins une autre embase chambrée (17) par usinage. 15.Procédé d'équilibrage selon la revendication 14, dans lequel ledit usinage est opéré sur une épaisseur radiale extérieure (19) de ladite embase chambrée (17)