Brevet FR2967455A1 — publié le 20120518

B11-5085FR 1 Broche d'amortissement et d'étanchéïté combinée pour ailette de turbine La présente invention concerne globalement les turbomachines et, en particulier, des broches d'amortissement disposées entre des ailettes adjacentes sur une roue de rotor pour amortir des vibrations des ailettes. Comme on le sait, les turbines comportent globalement un rotor constitué d'une pluralité de roues de rotor dont chacune supporte une pluralité d'ailettes espacées sur son pourtour. Les ailettes comprennent ordinairement chacune une pale profilée, une plate-forme, un pied et une queue d'aronde, la queue d'aronde étant reçue dans une rainure de queue d'aronde correspondante présente dans la roue de turbine. Les pales font saillie dans une veine de gaz chauds en aval des chambres de combustion de la turbine et convertissent l'énergie cinétique en énergie mécanique de rotation. Pendant le fonctionnement du moteur, des vibrations pénètrent dans les ailettes de la turbine et, si elles ne sont pas dissipées, elles peuvent provoquer une rupture prématurée des ailettes. De nombreuses formes différentes d'amortisseurs de vibrations ont été proposées pour limiter fortement ou supprimer les vibrations. Les amortisseurs de vibrations se présentent souvent sous la forme d'une broche d'amortissement allongée qui se loge entre des ailettes adjacentes et assure la fonction d'amortissement en absorbant l'énergie de stimuli d'harmoniques produite par suite d'un changement dans les charges aérodynamiques. Ordinairement, la broche d'amortissement est retenue dans une gorge formée le long d'une "face d'impact" à orientation circonférentielle dans la zone de pied d'aube de turbine d'une ailette de chaque paire d'ailettes adjacentes. Pendant le fonctionnement, la broche d'amortissement est soumise à des sollicitations centrifuges et, afin d'empêcher une liaison d'une ailette à une autre, la gorge doit être usinée de manière à permettre à la broche de flotter relativement librement dans la gorge. En même temps, de l'air fortement comprimé est souvent extrait du compresseur d'une turbine à flux axial dans le but de refroidir des organes de la turbine. Cet air de refroidissement est nécessaire pour maintenir la température des organes d'une turbine à un niveau acceptable pour leur fonctionnement, mais au détriment du rendement et de la puissance délivrée globaux de la turbine. Toute partie du flux de refroidissement qui s'échappe des organes d'une turbine est pour l'essentiel perdue. La poche créée par une gorge pour broche d'amortissement crée un grand trajet de fuite permettant à un flux de refroidissement de s'échapper de la zone du pied d'une ailette. L'efficacité du refroidissement peut également être amoindrie par la pénétration de gaz chauds dans la zone du pied de l'ailette depuis la veine de gaz chauds. Par conséquent, il serait souhaitable d'ajouter un moyen d'étanchéité à des broches d'amortissement par ailleurs classiques afin d'empêcher, de limiter fortement ou de réguler la fuite de flux de refroidissement depuis une cavité sous pression du pied, d'empêcher ou de limiter fortement les fuites de flux sur l'aube mobile d'une turbine depuis l'espace avant d'une roue jusqu'à l'espace arrière d'une roue dans le cas d'une cavité de pied non pressurisée et/ou d'empêcher la pénétration d'air de la veine de gaz chauds dans la zone du pied. Selon un premier exemple nullement limitatif de forme de réalisation, la présente invention propose une broche d'amortissement pour ailette de turbine, comportant : une partie formant corps principal allongé ayant une première forme en coupe sensiblement uniforme et des extrémités avant et arrière à alignement axial ayant une seconde forme en coupe relativement plus petite à des extrémités opposées de la partie formant corps principal, les extrémités avant et arrière se réunissant à la partie formant corps principal allongé au niveau d'épaulements respectifs ; et un élément d'étanchéité à une ou aux deux extrémités avant et arrière opposées faisant saillie radialement vers l'extérieur au-delà de la partie formant corps principal. Dans un autre exemple nullement limitatif de forme de réalisation, la présente invention propose une roue de rotor de turbine comportant une pluralité d'ailettes disposées sur son pourtour, chaque paire adjacente d'ailettes ayant une broche d'amortissement insérée entre elles, la broche d'amortissement comprenant une partie formant corps principal allongé à première forme en coupe sensiblement uniforme, les extrémités avant et arrière opposées ayant une forme en coupe différente, et un élément d'étanchéité à une seule ou aux deux extrémités avant et arrière opposées faisant saillie radialement vers l'extérieur au-delà de la partie formant corps principal. Dans encore un autre exemple d'aspect nullement limitatif, la présente invention consiste en une roue de rotor de turbine comportant une pluralité d'ailettes disposées sur son pourtour, les ailettes de chaque paire d'ailettes adjacentes ayant une broche d'amortissement insérée entre elles, la broche d'amortissement comprenant une partie formant corps principal allongé à première forme en coupe sensiblement uniforme, avec des extrémités avant et arrière opposées à forme en coupe différente. Selon encore un autre aspect, l'invention propose en outre un procédé pour limiter les fuites d'air de refroidissement depuis une cavité dans une partie formant pied de l'ailette le long de la broche d'amortissement, le procédé comportant l'installation d'au moins un élément d'étanchéité sur la broche d'amortissement ; la réalisation d'au moins un logement ou d'au moins une rainure dans la partie formant pied de l'ailette ; et l'installation de la broche d'amortissement à un endroit tel que le/les éléments d'étanchéité sont logés dans le/les logements. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un ensemble constitué d'une ailette de turbine à gaz et d'une broche d'amortissement ; la figure 2 est une élévation latérale partielle représentant une paire d'ailettes adjacentes dans la direction circonférentielle avec une broche d'amortissement située entre elles ; la figure 3 est une vue en perspective d'une broche d'amortissement sur laquelle sont fixés des éléments d'étanchéité, selon un premier exemple nullement limitatif de forme de réalisation de l'invention ; la figure 4 est une vue en perspective d'un élément d'étanchéité représenté sur la figure 3, retiré de la broche d'amortissement ; la figure 5 est une vue en élévation latérale d'une broche d'amortissement similaire à celle représentée sur la figure 3, mais dans laquelle l'élément d'étanchéité a été rendu solidaire de la broche d'amortissement ; la figure 6 est une vue en bout de la broche représentée sur la figure 5 ; la figure 7 est une vue en plan de la broche représentée sur la figure 5 ; la figure 8 est une vue partielle en perspective d'un pied d'ailette, illustrant une gorge conçue pour recevoir la broche d'amortissement de la figure 3 ou de la figure 5 ; la figure 9 est une vue de dessus en plan de la broche d'amortissement des figures 4 à 6 (représentée par transparence) installée entre deux ailettes adjacentes ; la figure 10 est une élévation latérale d'une autre broche d'amortissement possible comportant des éléments d'étanchéité selon un autre exemple nullement limitatif de forme de réalisation de l'invention ; la figure 11 est une vue en bout de la broche d'amortissement représentée sur la figure 10 ; et la figure 12 est une vue de dessus en plan de la broche représentée sur la figure 10. La figure 1 représente une ailette classique 10 comportant une pale 12, une plate-forme 14, un pied 16 et une queue d'aronde 18. La queue d'aronde 18 sert à fixer l'ailette 10 sur le pourtour de la roue (non représentée) de rotor. Une broche d'amortissement 20 est disposée sur un bord axial (ou face d'impact) 22 adjacent à (c'est-à-dire radialement vers l'intérieur de) la plate-forme 14 de l'ailette, l'extrémité avant 24 de la broche d'amortissement 20 étant située plus près du bord d'attaque de l'ailette et l'extrémité arrière 26 de la broche d'amortissement étant située plus près du bord de fuite de l'ailette. On notera qu'une broche similaire 20 est disposée entre chaque paire adjacente d'ailettes 18, 118 sur la roue de rotor, ainsi qu'il apparaît d'après la figure 2. En particulier, la broche d'amortissement 20 est disposée dans une gorge 28 s'étendant sur toute la face d'impact 22 de l'ailette 118. La broche d'amortissement 20 comprend une partie formant corps sensiblement cylindrique 30 entre deux extrémités opposées sensiblement semi-cylindriques 24, 26 se rejoignant au niveau des épaulements 39. Cette configuration crée des surfaces de support planes 32, 34 (apparaissant le plus clairement sur la figure 1) conçues pour reposer sur des surfaces ou des épaulements usinés (dont l'un est représenté en 36 sur la figure 2) de la plate-forme de l'ailette, à des extrémités opposées de la gorge 28 formée dans la face d'impact de l'ailette, ce qui assure un bon soutien pour la broche tout en empêchant une rotation excessive non souhaitable pendant le fonctionnement de la machine. Considérant maintenant les figures 3 et 4, il y est illustré une broche d'amortissement 38 selon un premier exemple nullement limitatif de l'invention. Comme la broche classique décrite plus haut, la broche 38 comporte une partie formant corps sensiblement cylindrique 40 et une paire d'extrémités opposées sensiblement semi-cylindriques 42, 44, à section transversale réduite. La broche d'amortissement 38 est cette fois pourvue d'un moyen d'étanchéité sous la forme d'une paire d'éléments d'étanchéité fixés 46, 48, respectivement disposés aux interfaces (ou aux épaulements 39) entre la partie formant corps cylindrique 40 et les extrémités opposées 42, 44. Chacun des éléments d'étanchéité, symétrique l'un par rapport à l'autre, se présente sous la forme d'un disque sensiblement circulaire 50 ayant un rebord périphérique annulaire 52. Le disque circulaire 50 comprend une moitié pleine 54 et une moitié ouverte, cette dernière étant définie par une ouverture ou un évidement sensiblement circulaire 56 qui permet à l'élément d'étanchéité d'être reçu à une extrémité respective 42 ou 44 de la broche d'amortissement 38. Les éléments d'étanchéité 46, 48 peuvent être constitués du même alliage que la broche d'amortissement 38, ou d'un alliage différent. Par exemple, la broche d'amortissement 38 et/ou les éléments d'étanchéité 46, 48 peuvent être en alliage à base de nickel tel que X-750, ou en alliage à base de cobalt tel que L-605. Cependant, il est entendu que l'invention n'est pas limitée par le choix des alliages ni pour la broche 38 ni pour les éléments d'étanchéité 46, 48. Les dimensions des éléments d'étanchéités 46, 48 permettent à ceux-ci de coulisser d'une manière assez lâche aux extrémités 42, 44 de la broche d'amortissement 42, de façon que les éléments d'étanchéité puissent facilement se loger dans des rainures ou logements usinés correspondants 58, 60 formés dans le pied 62 de l'ailette sur la face d'impact (figure 8) comme décrit plus en détail par la suite. I1 est entendu que la majeure partie, voire la totalité des sollicitations radiales pendant le fonctionnement de la machine doivent être absorbées par la broche d'amortissement 38 lorsqu'elle se déplace radialement dans sa gorge 64 dans la face d'impact (figure 8) sous l'effet de forces centrifuges et comme l'autorise les tolérances larges. Les tolérances concernant les rainures ou logements 58, 60 et la gorge 64 et l'ensemble broche d'amortissement/éléments d'étanchéité 46, 48 permettent également une certaine rotation minime de la broche d'amortissement pendant le fonctionnement de la machine, mais les forces centrifuges ne sont pas absorbées par les éléments d'étanchéité eux-mêmes. La broche d'amortissement 38 assure l'amortissement voulu entre les ailettes adjacentes, comme dans les conceptions antérieures, tandis que les éléments d'étanchéité 42, 44 créent une barrière qui empêche, limite ou régule l'échappement d'air de refroidissement depuis une cavité pressurisée dans la partie formant pied le long de la broche, en particulier plus près du bord d'attaque de l'ailette. Dans le cas d'une cavité non pressurisée, les éléments d'étanchéité empêchent, limitent ou régulent également les fuites sur l'ailette depuis l'espace avant de la roue jusqu'à l'espace arrière de la roue. De plus, les éléments d'étanchéité servent également à empêcher ou limiter fortement toute pénétration de gaz de combustion chauds dans la partie formant pied le long de la broche, en particulier plus près du bord de fuite de l'ailette. Les figures 5 à 7 illustrent une variante de la broche d'amortissement 38 représentée sur les figures 3 et 4. Ici, la broche d'amortissement 68 et les éléments d'étanchéité 70, 72 sont formés d'un seul tenant. Pour le reste, la broche d'amortissement est sensiblement identique à la broche d'amortissement 38. Là encore, les éléments d'étanchéité 70, 72 sont logés d'une manière relativement lâche dans les rainures ou logements usinés 58, 60. Les faces 74, 76 des bords des extrémités 78, 80 à section transversale réduite sont obliques pour correspondre aux bords des ailettes adjacentes, comme représenté le plus clairement sur la figure 9. La figure 8 illustre la gorge 64 formée dans la face d'impact 82 d'une ailette. La gorge 64 est formée de manière à inclure les surfaces de support usinées 84, 86 conçues pour venir contre les lo surfaces planes 88, 90 des extrémités semi-circulaires 42, 44 de la broche d'amortissement 38, ou des surfaces planes 92, 94 des extrémités semi-cylindriques 96, 98 de la broche 68. La figure 9 représente la broche d'amortissement 68 logée entre deux ailettes adjacentes 100, 102. La broche d'amortissement 15 s'étend sensiblement parallèlement aux faces d'impact opposées des ailettes, ce qui nécessite que les faces d'extrémités 74, 76 de la broche (comme indiqué plus haut) soient coupées suivant un angle non perpendiculaire par rapport à un axe longitudinal de la broche d'amortissement afin de rester au ras des faces d'extrémités des 20 ailettes. Les figures 10 à 12 illustrent un autre exemple nullement limitatif d'une broche d'amortissement selon l'invention pourvue d'un moyen d'étanchéité. La broche d'amortissement 104 est formée de manière à comporter une partie formant corps cylindrique 106 et 25 des extrémités opposées 108, 110 à section transversale sensiblement semi-circulaire comme dans les formes de réalisation précédentes. Dans la présente forme de réalisation, cependant, les éléments d'étanchéité solidaires 112, 114 sont formés aux bouts extérieurs des extrémités opposées 108, 110. Comme les éléments d'étanchéité sont identiques, il suffit d'en décrire un seul. L'élément d'étanchéité 112 s'étend radialeent dans toutes les directions au-delà du segment arqué de l'extrémité semi-circulaire 108 de la broche, y compris au-delà de 1a surface plane de support 116, en créant un. méplat 118 qui :s'étend sensiblement parallèlement à la surface de support 116. Ainsi, la partite arquée de L'élément d'étanchéité s'étend sur plus de l n% par exemple sur un angle d'environ 180° à 200°, comme représenté le plus clairement sur les 1:0 figures 10 et 11. On notera que, comme dans les. formes de réalisation précédemment décrites, la surface 120 du bord de Vêlëment d'étanchéité est usinée de manière oblique par rapport à L'axe longitudinal de la. broche d'amortissement 104 de façon que la surface du bord de l'élément d'étanchéité reste au ras des surfaces 15 adjacentes de l'ailette lorsqu'elle est installée, à la manière des: bords 74, 76 d'extrémités de la broche d'amortissement 68 décrits plus haut. Une autre partie formant bord biseauté 122 (figure 11) est formée sur la face d'extrémité 120 de l'élément .d'étanchéité,. s'étendant suivant un. angle d'environ 60° par rapport au méplat 11.8 20 et croisant la surface extérieure ou périphérique de l'élément d`étanchéité. La forme de l'élément d'étanchéité est à nouveau conçue pour qu'elle vienne au contact ou qu'elle s'emboîte de manière lâche dans des rainures ou des. évidements d'une forme correspondante créés dans le pied de l'ailette afin d'assurer la 25 caractéristique d'étanchéité requise... On notera que l'emplacement et la forme de l'élément d'étanchéité (et des logements correspondants recevant 1.e gorge pour la broche et les éléments d'étanchéité) peuvent varier en fonction d'applications spécifiques. On notera également que, La forme. en coupe des. broches d'amortissement n'est pas forcément cylindrique et que fa forme en. coupe des. extrémités. à diamètre réduit n'est pas forcément semi- cylindrique, comme décrit plus haut. D'autres broches d'amortissement à forme non ronde ou non uniforme entrent dans le cadre de l'invention.. De plus> la broche d'amortissement peut recevoir, ou être. formée avec tin seul élément d'étanchéité. Pour les pieds pressurisés,. deux éléments d.'étanchéité sont préférables, alors qu'un seul élément d'étanchéité: devrait suffire pour des. pieds .non. pressurisés.