Brevet FR3002585A1 — publié le 20140829

EQUILIBRAGE D'UN ENSEMBLE ROTATIF DANS UNE TURBOMACHINE L'invention concerne l'équilibrage d'un ensemble d'éléments de rotor dans une turbomachine ainsi qu'une turbomachine comprenant un tel ensemble. Classiquement, une turbomachine comprend un compresseur haute pression alimentant une chambre de combustion dont les gaz chauds entrainent en rotation un disque d'une turbine haute pression agencée en 10 aval. Dans une configuration particulière de turbomachine, le dernier étage du compresseur haute pression comprend un rouet centrifuge débouchant radialement dans un ensemble diffuseur-redresseur alimentant la chambre de combustion d'une manière bien connue de l'homme du 15 métier. Le rouet centrifuge comprend une bride annulaire radiale aval fixée sur une bride annulaire radiale amont d'un disque de turbine haute pression au moyen d'une pluralité de systèmes vis/écrou, les vis étant insérées dans des orifices en vis-à-vis de la bride du rouet centrifuge et de la bride du 20 disque de turbine. Afin de réduire au maximum les vibrations et garantir un fonctionnement optimal du compresseur, il est important de réaliser un équilibrage dynamique, c'est-à-dire un équilibrage en rotation, du rouet de compresseur fixé au disque de turbine haute pression. 25 Une possibilité d'équilibrage consiste à monter une masselotte au niveau de chaque zone de fixation. Une telle masselotte est portée par un anneau dans lequel est engagée une vis de fixation. Les masses des masselottes varient circonférentiellement de manière à réaliser l'équilibrage dynamique de l'ensemble en rotation. 30 Cette solution d'équilibrage est couramment utilisée dans le cas de turboréacteurs à grand diamètre puisque les tolérances de fabrication des masselottes sont compatibles avec l'équilibrage à obtenir. En effet, les masselottes sont agencées à une distance suffisante du centre de rotation de la turbomachine et la tolérance de fabrication des masselottes n'a qu'un impact très limité sur l'équilibrage final. Il est également connu de réaliser des masselottes d'équilibrage sous la forme de secteurs à section axiale en L, appliquées et serrées sur une face des brides au moyen d'organes de fixation. Toutefois, dans le cas de turbomachines de plus petit diamètre telles que celles à rouet centrifuge utilisées dans l'aviation d'affaires, les masselottes d'équilibrage doivent être placées beaucoup plus près de l'axe de rotation de la turbomachine et doivent être réalisées avec une grande précision qu'il est difficile d'obtenir. L'ajout de masselottes d'équilibrage dans des turboréacteurs de faible diamètre s'avère difficile à réaliser du fait d'un espace libre réduit pour leur montage. De plus, cela se traduit par une augmentation de la masse de l'ensemble en rotation. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique aux problèmes précités. A cette fin, elle propose un rotor de turbomachine, comprenant au moins deux brides annulaires radiales et coaxiales comportant des orifices de passage d'organes de fixation d'une bride sur l'autre bride, caractérisé en ce que les masses des organes de fixation varient circonférentiellement et sont déterminées en fonction des positions circonférentielles desdits organes de manière à réaliser un équilibrage dynamique du rotor. Selon l'invention, l'équilibrage du rotor est donc réalisé uniquement au moyen des organes de fixation des brides, sans utiliser de masselottes additionnelles, en faisant varier la masse des organes de fixation autour de l'axe de rotation. La masse totale de l'ensemble est ainsi réduite par rapport à la technique antérieure. De plus, à la différence de l'art antérieur, les organes de fixation assurent une double fonction de fixation des brides entre elles et d'équilibrage dynamique de l'assemblage, ce qui simplifie les opérations de montage et de maintenance. Avantageusement, les organes de fixation comprennent des goujons comportant chacun une collerette destinée à être intercalée entre deux brides annulaires et reliant deux parties filetées amont et aval recevant 5 chacune un écrou de serrage des brides. Les collerettes des goujons assurent un maintien axial des goujons dans l'assemblage des brides annulaires. En pratique, pour réaliser l'équilibrage de la turbomachine, on peut faire varier plusieurs paramètres des goujons tels que leur longueur, la 10 dimension axiale de leur collerette et leur densité en utilisant différents matériaux. Selon une autre caractéristique, les orifices d'au moins une bride débouchent dans le fond d'une gorge annulaire logeant intégralement les collerettes des goujons et obturée par une bride radiale en vis-à-vis axial. 15 Avec un tel agencement, les collerettes des goujons sont escamotées dans la gorge annulaire, elles ne gênent pas le serrage des brides les unes sur les autres et l'étanchéité des brides est assurée. Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins l'une des brides comprend une alternance de parties pleines et de parties creuses, 20 les orifices de passage étant formés dans les parties pleines. La présence de parties creuses permet ainsi de réduire la masse de ladite bride. Dans une réalisation pratique de l'invention, les masses des organes de fixation sont choisies parmi deux et de préférence trois valeurs différentes, de 5g, 10g et 15 g par exemple. 25 Selon une autre caractéristique de l'invention, une bride annulaire portant sur sa périphérie externe un joint à labyrinthe est intercalée axialement entre une première et une deuxième bride et comprend des orifices de passage alignés avec les orifices des première et deuxième brides pour le passage d'organes de fixation des brides les unes sur les 30 autres. L'invention concerne également un ensemble rotatif dans une 3002 5 85 4 turbomachine comprenant un rotor du type décrit précédemment, l'une amont des brides étant reliée au rouet d'un compresseur centrifuge haute pression, l'autre aval des brides étant reliée à un disque d'une turbine haute pression. L'invention concerne encore une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, comprenant au moins un rotor ou un ensemble rotatif comme ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en 10 référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une partie radialement interne d'un rotor d'une turbine basse pression illustrant une méthode d'équilibrage dynamique du rotor selon la technique antérieure ; 15 la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'une partie d'une turbomachine s'étendant d'un compresseur centrifuge haute pression à une turbine haute pression selon l'invention ; les figures 3 et 4 sont des vues schématiques en perspective de goujons selon l'invention ; 20 les figures 5 et 6 sont des vues schématiques en perspective de la zone de fixation du compresseur centrifuge à une roue de turbine haute pression selon l'invention. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une partie d'un rotor 10 d'une turbine basse pression comprenant deux disques 12, 14 25 fixés l'un à l'autre. Un premier disque 12 amont comprend une paroi sensiblement tronconique 16 à section diminuant vers l'aval portant à son extrémité aval une bride annulaire radiale 18 fixée sur une bride annulaire radiale 20 de l'extrémité amont d'une paroi tronconique 22 à section diminuant vers l'amont et reliée à son extrémité aval au disque aval 14 de 30 la turbine basse pression. Les disques amont et aval comprennent des poireaux d'équilibrage 24 en rotation s'étendant radialement vers l'intérieur et portent sur leur périphérie radialement externe une pluralité d'aubes 26 régulièrement réparties autour de l'axe de la turbine. Une bride annulaire radiale 28 est intercalée entre les deux brides annulaires radiales amont et aval 18, 20 de fixation des disques 12, 14 de turbine et porte extérieurement un joint à labyrinthe 29 coopérant avec une couche de matériau abradable 30 portée par une rangée annulaire d'aubes fixes 32 intercalée entre les aubes 26 portées par les disques amont et aval 12, 14 de la turbine. Les brides annulaires 18, 20 des disques amont et aval 12, 14 et la bride annulaire 28 de support du joint à labyrinthe comprennent des orifices régulièrement répartis autour de l'axe de la turbine et alignés les uns avec les autres pour le passage de vis de fixation 34 recevant à une extrémité un écrou 36 de serrage. Pour compenser le balourd en fonctionnement du rotor de la turbine basse pression et réaliser son équilibrage dynamique, il est connu de répartir des masselottes 37 de masses différentes autour de l'axe de la turbine. Chaque masselotte 37 comprend un anneau 38 radialement externe engagé sur une vis de fixation 34, la masselotte 37 d'équilibrage étant orientée radialement vers l'intérieur par rapport à l'anneau 38. Comme indiqué précédemment, l'utilisation de telles masselottes 37 d'équilibrage ne peut être envisagée que dans le cas de turboréacteurs de grand diamètre. En effet, dans le cas de turboréacteurs de plus petits diamètres tels que ceux utilisés dans l'aviation d'affaires, la précision de fabrication en termes de masse des masselottes 37 est incompatible avec l'obtention d'un équilibrage dynamique acceptable d'un rotor. En particulier, ce problème s'avère particulièrement délicat dans le cas de l'équilibrage de la zone de jonction entre un rouet 40 d'un compresseur centrifuge 42 et un disque 44 de turbine haute pression comme représenté en figure 2, dans laquelle des parties fixes et/ou mobiles ne sont pas représentées pour la clarté des dessins. Dans cette figure, le dernier étage du compresseur haute pression 42 comprend un rouet centrifuge 40 débouchant en aval dans un diffuseur-redresseur 46 alimentant en air une chambre annulaire de combustion 48 dont les gaz chauds alimentent une turbine haute pression 50. Le rouet centrifuge 40 est formé d'un disque 52 comportant intérieurement un poireau d'équilibrage 54 en rotation depuis lequel s'étend vers l'aval une paroi sensiblement cylindrique 56 portant à son extrémité aval une bride annulaire radiale 58 fixée sur une bride annulaire radiale 60 formée à l'extrémité amont d'une paroi sensiblement cylindrique 62 reliée en aval à un poireau d'équilibrage 64 lequel est formé radialement à l'intérieur du disque 66 de la turbine haute pression. Une bride annulaire d'étanchéité 68 est intercalée entre la bride annulaire radiale 58 du rouet centrifuge 40 et la bride annulaire radiale 60 du disque 66 de turbine et comporte sur sa périphérie radialement externe un joint à labyrinthe 69 coopérant avec une couche d'un matériau abradable (non représenté) porté par un élément de stator. La bride annulaire d'étanchéité 68 comporte intérieurement un poireau d'équilibrage 70 en rotation. Selon l'invention, la bride annulaire 58 du rouet centrifuge 40, la bride annulaire d'étanchéité 68 et la bride annulaire 60 du disque de turbine haute pression comprennent toutes des orifices alignés les uns avec les autres dans lesquels sont insérés des goujons A, B dont les masses varient circonférentiellement et sont choisies de manière à réaliser un équilibrage dynamique du compresseur centrifuge et de la turbine haute pression, ce qui ne nécessite plus l'utilisation de masselottes additionnelles. Les goujons, dont deux types différents A, B sont représentés aux figures 3 et 4, sont chacun formés d'une tige cylindrique 76a, 76b comportant une collerette 78a, 78b entre deux parties filetées 80a, 82a, 80b, 82b formées sur la périphérie externe de la tige 76a, 76b, une première partie filetée 80a, 80b présentant une dimension axiale inférieure à celle d'une seconde partie filetée 82a, 82b. Le goujon A comporte par exemple une collerette 78a ayant une dimension axiale inférieure à celle de la collerette 78b du goujon B. De cette manière, les goujons A et B ont des masses différentes. Les premières parties 80a, 80b des goujons sont insérées depuis l'amont dans les orifices de la bride annulaire radiale 58 du rouet centrifuge 40 de manière à ce que les collerettes 78a, 78b viennent en butée dans le fond d'une gorge annulaire 84 de la face aval de la bride 58 du rouet 40. Les collerettes 78a, 78b sont intégralement logées dans la gorge annulaire de la bride 58 du rouet. La bride annulaire 68 portant le joint à labyrinthe 69 et la bride radiale 60 du disque de turbine sont engagées depuis l'aval sur les deuxièmes parties 82a, 82b des goujons A, B (figures 5 et 6). De cette manière, les goujons sont bloqués axialement sur l'assemblage de brides. Des premiers écrous de fixation 86 sont vissés sur les premières parties 80a, 80b des goujons A, B et serrés sur la face amont de la bride 58 du rouet 40. De même, des seconds écrous 88 de fixation sont vissés sur les secondes parties 82a, 82b des goujons A, B et serrés sur la face aval de la bride 60 du disque de la turbine haute pression. Dans une variante de réalisation de l'invention, la bride annulaire radiale 58 du rouet 40 comprend une alternance de parties pleines et de parties creuses de manière à limiter la masse de la bride, les orifices de passages des premières parties des goujons étant formés dans les parties pleines et la gorge annulaire étant alors discontinue. Comme représenté schématiquement aux figures 5 et 6, la répartition des goujons A, B autour de l'axe de rotation est effectuée de manière à équilibrer la zone de fixation des brides 58, 68, 60 en rotation. Pour faire varier la masse des goujons, on peut modifier leur longueur, la dimension axiale de leur collerette (figures 3 et 4) et/ou utiliser des matériaux de densités différentes. Le balourd à compenser dépend fortement de la tolérance de fabrication des différents éléments du rotor. Ainsi, en cas de balourd à compenser important, il serra nécessaire d'utiliser plusieurs goujons de masses différentes, ce qui nécessite de faire varier à la fois la longueur, la dimension axiale de la collerette et d'utiliser des matériaux de densités différentes. Dans le cas d'un faible balourd à compenser, le nombre de goujons de masses différentes peut être réduit. Les goujons peuvent être réalisés dans un même matériau, les masses différentes étant obtenues en faisant varier leur longueur et/ou leur dimension axiale. Dans une réalisation pratique de l'invention, on utilise des goujons ayant au moins deux masses différentes, de préférence trois masses différentes, par exemple de 5g, 10g et 15g. La dimension axiale de la collerette peut varier de 2 millimètres. La longueur des goujons varie d'environ 8 millimètres. Les goujons peuvent être réalisés dans des alliages en INCONEL. REVENDICATIONS1. Rotor de turbomachine, comprenant au moins deux brides annulaires radiales (58, 60) et coaxiales comportant des orifices de passage d'organes de fixation d'une bride sur l'autre bride, caractérisé en ce que les masses des organes de fixation (A, B) varient circonférentiellement et sont déterminées en fonction des positions circonférentielles desdits organes de manière à réaliser un équilibrage dynamique de l'assemblage. 2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes de fixation comprennent des goujons (A, B) comportant chacun une collerette (78a, 78b) destinée à être intercalée entre deux brides annulaires (58, 60) et reliant deux parties filetées (80a, 80b, 82a, 82b) amont et aval recevant chacune un écrou de serrage (86, 88) des brides (58, 60). 3. Rotor selon la revendication 2, caractérisé en ce que les orifices d'au moins une bride débouchent dans le fond d'une gorge annulaire (84) logeant intégralement les collerettes (78a, 78b) des goujons (A, B) et obturée par une bride radiale en vis-à-vis axial. 4. Rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins l'une des brides comprend une alternance de parties pleines et de parties creuses, les orifices de passage étant formés dans les parties pleines. 5. Rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les masses des organes de fixation sont choisies parmi au moins deux valeurs différentes. 6. Rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une bride annulaire (68) portant sur sa périphérie externe un joint à labyrinthe (69) est intercalée axialement entre une première (58) et une deuxième (60) bride et comprend des orifices de passage alignés avec les orifices des première (58) et deuxième (60) brides pour le passage d'organes de fixation des brides les unes sur les autres. 7. Ensemble rotatif dans une turbomachine caractérisée en ce qu'il comprend un rotor selon l'une des revendications précédentes, l'une amont des brides (58) étant reliée au rouet (40) d'un compresseur centrifuge (42) l'autre aval des brides (60) étant reliée à un disque (66) d'une turbine haute pression. 8. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, caractérisé en ce qu'elle comprend au moins un rotor selon l'une des revendications 1 à 6 ou un ensemble rotatif selon la revendication 7.10