Brevet FR2983899A1 — publié le 20130614

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne l'équilibrage d'un rotor de turbine à gaz pour compenser le balourd affectant celui-ci. L'un des domaines d'application de l'invention est celui des turbines basse-pression de turbomachines aéronautiques du type à double corps et double flux. Typiquement, la turbine basse-pression d'une turbomachine comprend une pluralité d'étages modulaires de turbine composés chacun d'un distributeur et d'un rotor placé derrière le distributeur. Chaque distributeur est formé de plusieurs aubes fixes disposées dans la veine d'écoulement, tandis que les rotors se composent chacun d'une pluralité d'aubes mobiles également disposées dans la veine d'écoulement et montées par leur pied dans des alvéoles d'un disque de rotor. Chaque étage modulaire de turbine est lié aux étages qui lui sont adjacents par l'intermédiaire de leur disque de rotor respectif qui sont assemblés entre eux au moyen de liaisons boulonnées traversant des brides de fixation. Par ailleurs, il est connu de réaliser un équilibrage en dynamique des différents rotors de la turbine pour réduire leur balourd et ainsi limiter les impacts vibratoires affectant en fonctionnement la turbomachine. Cet équilibrage est réalisé en ajoutant des masses dites d'équilibrage à différents positionnements angulaires des disques de rotor. Généralement, ces masses d'équilibrage sont fixées sur le disque par l'intermédiaire des liaisons boulonnées utilisées pour assembler entre eux les différents étages de la turbine. Certaines configurations de turbine ne permettent toutefois pas de positionner les masses d'équilibrage à de tels endroits. Ceci est notamment le cas lorsque les différents disques unitaires de rotor de la turbine sont remplacés par des assemblages monoblocs de deux ou plusieurs disques de rotor (on parle également de « spools de rotors »). En effet, dans un spool de rotors, deux ou plusieurs disques de rotor sont liés entre eux pour former un ensemble monobloc qui est dépourvu de liaisons boulonnées (les disques peuvent être usinés à partir d'une seule et même pièce ou être reliés entre eux par soudure). Or, l'absence de liaisons boulonnées ne permet plus d'y fixer des masses d'équilibrage.35 Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un rotor de turbine pouvant être équilibré par ajout de masses d'équilibrage même si ce rotor est intégré à un spool de rotors. Ce but est atteint grâce à un rotor de turbine à gaz, comprenant un disque ayant une pluralité d'alvéoles formées à sa périphérie extérieure, et une pluralité d'aubes montées chacune par un pied dans une alvéole du disque, et dans lequel, conformément à l'invention, le disque comprend plus d'alvéoles que d'aubes, le rotor comprenant en outre au moins une masse d'équilibrage logée dans une alvéole du disque non occupée par un pied d'aube. Prévoir plus d'alvéoles sur le disque qu'il n'y a d'aubes à monter permet de pouvoir profiter des alvéoles non occupées par un pied d'aube pour y loger une masse d'équilibrage. Le rotor selon l'invention présente donc pour avantage de pouvoir disposer des masses d'équilibrage même en l'absence de brides de fixation sur les disques. Il est ainsi parfaitement adapté à une configuration dans laquelle les disques de rotor d'une turbine basse-pression se présentent sous la forme de spools de rotor. Par ailleurs, le nombre plus élevé d'alvéoles que d'aubes permet de réduire la masse globale du disque par le retrait de matière superflue à la tenue des aubes. De préférence, le disque est réalisé dans un matériau ayant une masse volumique plus élevée que le matériau dans lequel sont réalisées les aubes. Par exemple, le disque peut être réalisé dans un superalliage métallique et les aubes dans en matériau composite ou dans un alliage métallique à base d'aluminium. La réalisation des aubes dans de tels matériaux permet de réduire les efforts centrifuges auxquels elles sont soumises en fonctionnement. La réduction de la masse des aubes a également pour conséquence de permettre de diminuer considérablement la largeur de leur pied par rapport à une aube conventionnelle en superalliage métallique. Associé à un disque en superalliage métallique capable de supporter de forts chargements mécaniques, de telles aubes à masse volumique plus faible permettent donc de faciliter la mise en place d'un nombre plus élevé d'alvéoles qu'il n'y a d'aubes sans pour autant dégrader la tenue mécanique de l'ensemble. Chaque masse d'équilibrage peut présenter sensiblement une forme de pied d'aube. De préférence également, chaque masse d'équilibrage comprend des moyens pour assurer son maintien axial dans l'alvéole du disque. Par exemple, chaque masse d'équilibrage peut comprendre un épaulement destiné à venir en butée contre une face latérale du disque de façon à assurer son maintien axial dans l'alvéole du disque. Le disque peut comprendre deux fois plus d'alvéoles que d'aubes, les aubes étant réparties angulairement dans les alvéoles du disque de sorte à alterner alvéole occupée par un pied d'aube / alvéole non occupée par un pied d'aube. De préférence encore, une masse d'équilibrage est logée dans chaque alvéole du disque non occupée par un pied d'aube, au moins deux des masses d'équilibrage présentant des masses différentes. Insérer une masse d'équilibrage dans chaque alvéole non occupée du disque permet d'éviter les phénomènes d'ouverture de dent de disque en fonctionnement et de limiter les réintroductions d'air dans les alvéoles vides. L'invention concerne aussi une turbine basse-pression de turbomachine, comprenant au moins deux rotors tels que définis précédemment, les disques des rotors étant liés entre eux pour former un ensemble monobloc dépourvu de liaisons boulonnées. L'invention concerne encore une turbomachine comprenant une telle turbine basse- pression. 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 un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une turbine basse-pression de turbomachine montrant un rotor auquel s'applique l'invention ; - la figure 2 est une vue de face et partielle d'un rotor conforme à l'invention ; et - les figures 3A et 3B sont des vues en perspective d'une masse d'équilibrage utilisée pour le rotor de la figure 2. Description détaillée de l'invention L'invention est applicable à différents types de rotors de turbine à gaz, et notamment à un rotor de turbine basse-pression d'une turbomachine aéronautique du type à double corps et double flux, telle que celle représentée partiellement sur la figure 1. La turbine basse-pression 10 de cette figure comprend une pluralité d'étages de turbine successifs qui sont centrés sur un axe longitudinal X-X de la turbomachine (seuls les deux premiers étages de turbine sont représentés sur la figure). Chaque étage de turbine se compose d'un distributeur formé d'une pluralité d'aubes fixes 12 disposées dans une veine d'écoulement 14 et d'un rotor (ou roue mobile) placé derrière le distributeur et formé d'une pluralité d'aubes mobiles 16 également disposées dans la veine d'écoulement 14 et montées par leur pied 17 dans des alvéoles 18 d'un disque de rotor 20a, 20b. Les disques de rotor 20a, et 20b de la turbine sont centrés sur l'axe longitudinal X-X de la turbomachine. Chacun d'entre eux comprend une bride annulaire amont 22 qui s'étend vers l'amont depuis une face latérale amont du disque et une bride annulaire aval 24 qui s'étend vers l'aval depuis une face latérale aval du disque. Les disques de rotor 20a et 20b sont assemblés entre eux au moyen de leurs brides respectives 22, 24. Plus précisément, ces disques sont reliés entre eux par un cordon de soudure 26 déposé entre les extrémités libres de leur bride amont 22 et aval 24 de sorte à former un ensemble monobloc de disques. Alternativement, l'assemblage entre ces deux disques pourrait être réalisé en usinant les disques à partir d'une seule et même pièce. Alternativement encore, cet assemblage de disques pourrait être réalisé à l'aide de liaisons boulonnées entre leurs brides respectives. Chaque disque de rotor 20a, 20b comprend à sa périphérie extérieure une pluralité d'alvéoles 18 s'étendant sensiblement selon l'axe longitudinale X-X et ouvertes vers l'extérieur. Selon l'invention, le nombre d'alvéoles 18 est plus grand que le nombre d'aubes de rotor 16 montées sur le disque. Les alvéoles sont ainsi pour certaines destinées à recevoir le pied 17 d'une aube de rotor 16 et pour d'autres destinées à recevoir une masse d'équilibrage 28 (figure 2) décrite ultérieurement. Par ailleurs, de façon connue, chaque disque de rotor 20a, 20b est réalisé dans un superalliage métallique tel qu'en Inconel® par exemple. Quant aux aubes de rotor 16, elles sont de préférence réalisées en matériau composite (de type en carbone à matrice céramique) ou dans un alliage métallique à base d'Aluminium, par exemple de type NiAI. Avec une telle combinaison de matériau, les disques de rotor sont ainsi réalisés dans un matériau ayant une masse volumique plus élevée que le matériau dans lequel sont réalisées les aubes de rotor. Compte tenu de leur faible masse volumique, les aubes de rotor peuvent notamment avoir un pied de largeur réduite par rapport à une aube conventionnelle en superalliage métallique, ce qui facilite la mise en place d'un nombre plus élevé d'alvéoles sur les disques de rotor qu'il n'y a d'aubes de rotor à monter sur ceux-ci. En particulier, il est possible de prévoir pour chaque disque de rotor 20a, 20b deux fois plus d'alvéoles 18 que d'aubes 16, les aubes étant réparties angulairement dans les alvéoles du disque de sorte à alterner alvéole occupée par un pied d'aube / alvéole non occupée par un pied d'aube. Comme représenté sur la figure 2, le disque de rotor 20a, 20b comprend ainsi deux fois plus d'alvéoles 18 qu'il n'y a d'aubes de rotor 16, chaque alvéole occupée par le pied 17 d'une aube étant encadrée par deux alvéoles non occupée par un pied d'aube. Au moins l'une de ces alvéoles non occupées par un pied d'aube - et de préférence l'ensemble de ces alvéoles - est occupée, selon l'invention, par une masse d'équilibrage 28. Comme représenté sur les figures 3A et 3B, chaque masse d'équilibrage se présente sous la forme d'une pièce amovible ayant une forme de pied d'aube. Cette pièce présente une masse prédéterminée qui lui est spécifique (variant par exemple de 3 à 12 grammes). Des aménagements géométriques de forme (par exemple des retraits de matière 30) permettent de faire varier la masse de ces pièces de sorte à pouvoir disposer d'un lot de plusieurs masses d'équilibrage de poids différents. A géométrie identique, le matériau utilisé pour réaliser ces pièces permet également de jouer sur leur masse. La ou les masses d'équilibrage 28 sont ainsi positionnées dans des alvéoles vides (c'est-à-dire non occupées par un pied d'aube) du disque de rotor 20a, 20b de façon à assurer un équilibrage en dynamique du rotor de turbine pour réduire son balourd et ainsi limiter les impacts vibratoires affectant en fonctionnement la turbomachine. Par ailleurs, selon une disposition avantageuse, chaque masse d'équilibrage 28 comprend un épaulement 32 destiné à venir axialement en butée contre une face latérale du disque de rotor 20a, 20b sur lequel elle est positionnée de façon à assurer son maintien axial dans l'alvéole correspondante 18 du disque (voir la figure 2).