Brevet FR2981118A1 — publié le 20130412

DISQUE AUBAGE MONOBLOC POURVU D'AUBES A PROFIL DE PIED ADAPTE DESCRIPTION Le sujet de l'invention est un disque aubagé monobloc dont les aubes ont un profil de pied adapté. De tels disques, abrégés souvent en « DAM », ou « blisk » en anglais, comprennent un cercle d'aubes d'un seul tenant avec un noyau de rotor et sont maintenant d'un emploi courant dans les turbomachines de moteurs d'avions, concurremment aux étages d'aubes classiques où les aubes sont fabriquées séparément du rotor et assemblées à lui par une imbrication de leurs pieds dans des rainures entaillant la surface de celui-ci. Il existe de très nombreux profils d'aubes, conçus pour donner de bonnes performances aérodynamiques ou une bonne tenue mécanique de résistance aux efforts ou aux vibrations. Les exemples existants ne sont toutefois pas forcément applicables à des disques aubagés monobloc, qui sont sujets à des contraintes particulières notamment du fait de la transmission intégrale et immédiate des contraintes entre le moyeu et les aubes ; cette remarque est d'autant plus valable que le moteur auquel appartient le disque aura une forte poussée. L'invention a pour objet l'amélioration des disques aubagés monobloc en ce qui concerne la résistance aux efforts statiques et vibratoires, aux chocs à l'occasion d'ingestion de corps solides dans le moteur, et l'uniformité de répartition de l'écoulement des gaz sur la hauteur des aubes. Elle est particulièrement appréciable pour des moteurs travaillant dans des conditions intenses telles qu'un vol supersonique avec un nombre de Mach, de par exemple 1,45 à l'entrée du moteur, une forte poussée commandant un rapport de moyeu, égal au rayon du moyeu sur le rayon externe du disque de 0,4 par exemple et un faible allongement défini par le rapport hauteur sur corde, pouvant être égal à 1,75. Sous une forme générale, l'invention est caractérisée en ce que les aubes ont dans une zone de pied, adjacente au moyeu, un angle de dièdre et un angle de flèche ayant des valeurs croissant continument toutes deux en s'approchant du moyeu. Il a été constaté que cette disposition améliorait l'aube pour les performances aérodynamiques (surtout grâce l'évolution de l'angle de flèche) et sa résistance mécanique (surtout sur celle de l'angle de dièdre). La zone de pied peut s'étendre sur environ 20% à 30% de la hauteur de l'aube. Des formes préférées de l'invention possèdent des caractéristiques secondaires qu'on va 25 détailler, dont l'effet est généralement de renforcer l'effet principal de l'angle mentionné. L'angle de dièdre est toujours négatif dans une zone médiane de l'aube adjacente à la zone de pied, et positif dans une portion de la zone de pied qui est 30 la plus proche du moyeu. L'angle de flèche a des valeurs toujours positives dans une zone médiane de l'aube adjacente à la zone de pied quoique décroissantes vers la zone de pied, et a des valeurs supérieures à toutes celles de la zone médiane dans une portion de la zone de pied qui est la plus proche du moyeu. Dans ce cas, l'angle de flèche atteint favorablement une valeur maximale d'au moins deux fois les valeurs dans la portion médiane au raccordement au 10 moyeu, qui peut être de 20° au moins. La portion de la zone de pied pour laquelle l'angle de dièdre est positif s'étend sur environ 5% à 10% de la hauteur de l'aube, tandis que la portion précédemment définie à propos de l'angle de flèche 15 s'étend sur environ 10% à 20% de la hauteur de l'aube. L'invention concerne aussi une turbomachine comprenant ce disque aubagé monobloc, notamment comme soufflante de compresseur située tout en amont d'un écoulement de gaz à travers elle. 20 L'invention sera maintenant décrite plus en détail en liaison aux Figures suivantes, qui en représentent certains modes de réalisation à titre purement illustratif : -la Figure 1 est une vue générale d'un 25 disque aubagé monobloc, -les Figures 2 et 3 illustrent les significations des angles de flèche de dièdre, -les Figures 4 et 5 donnent des courbes 30 d'angles typiques de l'invention, -et les Figures 6, 7 et 8 sont trois vues représentatives d'une aube. La Figure 1 représente partiellement un disque aubagé monobloc, composé d'un moyeu (1), d'un tenant avec un cercle d'aubes (2) réparties sur son pourtour. Un tel disque peut remplacer un étage d'aubes tournantes ordinaire dans une turbomachine, et on pourra envisager de le placer comme soufflante à l'entrée de la machine, comme premier étage du compresseur à basse pression. On s'intéressera aux angles dits de flèche et de dièdre des aubes (2) à leur bord d'attaque. Ces angles mesurent les différences des directions entre l'écoulement et les aubes (2), en projection respectivement dans un plan radial et axial et un plan axial et tangent à la direction de rotation de la machine. Ils peuvent être exprimés, d'après les notations des Figures 2 et 3, par les équations suivantes, où À désigne l'angle de flèche, y l'angle de V U r dièdre ; tan 13 = -- et tan cp =s , Vr ,Vu et Va étant les Va V composantes en directions radiale, tangentielle et axiale de l'écoulement : ra r. - Si l'écoulement est purement axial, ce qui est à peu près le cas à l'entrée de la machine, l'angle sir25 de flèche exprime l'inclinaison de l'aube en direction axiale, et l'angle de dièdre, l'inclinaison de l'aube en direction tangentielle. Un signe négatif de l'angle de flèche exprime une inclinaison vers l'amont, et un signe positif, vers l'aval ; et un signe négatif de l'angle de dièdre exprime une inclinaison vers l'intrados, et un signe positif, vers l'extrados. Les inclinaisons sont définies à partir de direction radiales vers l'extérieur. Les Figures 4 et 5 illustrent les angles de flèche et de dièdre respectivement du bord d'attaque (3) d'une aube (2) d'après l'invention, aux courbes (4) et (5), les autres courbes étant données à titre illustratif et représentant diverses conceptions 15 d'aubes existantes. Les abscisses des courbes représentent les valeurs des angles, et les ordonnées les valeurs relatives des rayons de l'aube (2), de (0%) au raccordement au moyeu ou pied à (100%) au bord libre ou sommet de l'aube (2). En ce qui concerne l'angle de 20 flèche, on voit que, du sommet au pied, il est d'abord négatif mais continument croissant, qu'il devient positif vers 75% de la hauteur tout en continuant de croître, qu'il atteint un maximum de 10° environ vers 45%, puis décroît tout en restant positif, atteint un 25 minimum de 4° environ à environ 20% de la hauteur, puis, une zone de pied étant atteinte, qu'il se remet à croître continument, de plus en plus fortement et jusqu'à atteindre une valeur de 25° environ au raccordement au moyeu (1). Alors que cette courbe (4) 30 ne se distingue pas nécessairement d'autres entre les hauteurs de 100% et 20%, la zone de pied entre la hauteur 20% et 0% est nettement originale, les autres courbes révélant soit peu de changement de l'angle de flèche à cet endroit, ou au contraire une décroissance de l'angle l'angle de de la zone contribuer principal pour l'une d'entre elles. Une croissance de flèche de 10° au moins entre les extrémités de pied (ici de 21° = 25° - 4° environ) peut à caractériser l'invention. L'effet de la caractéristique de l'invention est d'assurer une répartition de débit d'écoulement des gaz optimale sur la hauteur de l'aube (2), ce qui accroît le rendement et facilite le bon fonctionnement du moteur. La Figure 5 montre que l'angle de dièdre de l'aube (2) est négatif près du bord libre, avec des valeurs décroissant peu à peu en descendant vers le pied, puis en décroissant plus fortement sous une hauteur de 70% environ jusqu'à atteindre un minimum (de -13° environ) à une hauteur de 20% environ ; mais à partir de cette hauteur, l'angle de dièdre croît vers le raccordement au moyeu (1), et ici aussi de plus en plus vite, jusqu'à atteindre des valeurs positives à une hauteur de 5% environ et un angle maximal positif (de 8° environ) au raccordement au moyeu (1). Ici encore la zone de pied est tout à fait originale par 25 rapport aux conceptions existantes, qui révèlent des évolutions différentes de l'angle de dièdre, mais sa persistance dans tous les cas à des valeurs négatives et inférieures à celle qu'on observait au sommet de l'aube. Une croissance de l'angle de dièdre d'au moins 30 10° entre les extrémités de la zone de pied (ici de 21° = 13° + 8° environ) peut encore contribuer à caractériser l'invention. La zone de pied commence à l'inflexion de la courbe de l'angle considéré, et sa hauteur peut différer pour les deux courbes, mais elle est au plus égale à 30% de la hauteur totale de l'aube (2) environ. Le profil caractéristique du bord d'attaque (3) dans la région de pied assure ici un renforcement des aubes (2) en maintenant des contraintes mécaniques acceptables au raccordement au moyeu (1). On se reporte aux Figures 6, 7 et 8 qui illustrent l'aube (2) en vues de côté, de l'avant et de l'arrière : la Figure 6 permet d'apprécier l'influence de l'angle de flèche, le bord d'attaque (3) étant à peu prés rectiligne dans cette vue dans la région de pied, puis s'infléchissant pour former une concavité dans les régions supérieures de l'aube ; et les Figures 7 et 8 représentent nettement le changement de direction de courbure du bord d'attaque (3) dans la région de pied, qui distingue l'invention des conceptions existantes exposées ici. REVENDICATIONS1) Disque aubagé monobloc composé d'un moyeu (1) et d'aubes (2) reliées d'un tenant au moyen, caractérisé en ce que les aubes ont, dans une zone de pied adjacente au moyeu, un angle de dièdre et un angle de flèche (4) ayant des valeurs croissant continument toutes deux en s'approchant du moyeu. 2) Disque aubagé monobloc suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de pied s'étend sur environ 20% à 30% de la hauteur de l'aube. 3) Disque aubagé monobloc suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'angle de dièdre est toujours négatif dans une zone médiane de l'aube adjacente à la zone de pied, et positif dans une portion de la zone de pied qui est la plus proche du moyeu. 4) Disque aubagé monobloc suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'angle de flèche a des valeurs toujours positives dans une zone médiane de l'aube adjacente à la zone de pied quoique décroissantes vers la zone la zone de pied, et a des valeurs supérieures à toutes celles de la zone médiane dans une portion de la zone de pied qui est la plus proche du moyeu. 5) Disque aubagé monobloc suivant la 30 revendication 4, caractérisé en ce que l'angle de flèche atteint une valeur maximale d'au moins deux foisles valeurs dans la portion médiane au raccordement au moyeu. 6) Disque aubagé monobloc suivant la 5 revendication 5, caractérisé en ce que la valeur maximale est de 20° au moins. 7) Disque aubagé monobloc suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ladite portion 10 de la zone de pied s'étend sur 5% à 10% de la hauteur de l'aube. 8) Disque aubagé monobloc suivant l'une quelconques des revendications 4, 5 ou 6, caractérisé 15 en ce que ladite portion de la zone de pied s'étend sur 10% à 20% de la hauteur de l'aube. 9) Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte un disque aubagé monobloc suivant l'une 20 quelconque des revendications précédentes. 10) Turbomachine suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le disque aubagé monobloc forme une soufflante de compresseur tout en amont d'un 25 écoulement de gaz à travers la turbomachine.