Brevet FR3021064A1 — publié le 20151120

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine de l'équilibrage de disques tournants, et plus spécifiquement de disques de turbomachine. On entend par « turbomachine », dans le présent contexte, toute machine dans laquelle peut s'opérer un transfert d'énergie entre un écoulement de fluide et au moins un aubage, comme, par exemple, un compresseur, une pompe, une turbine, ou bien une combinaison d'au moins deux de ceux-ci. Certaines turbomachines à combustion interne, telles que les turbines de gaz, les turbomoteurs, les turboréacteurs à simple ou double flux, ou les turbopropulseurs, permettent la conversion de l'énergie chimique d'un carburant en énergie mécanique par combustion de ce carburant dans le fluide de travail, opérée dans une chambre de combustion. Typiquement ces turbomachines comportent au moins un compresseur en amont de la chambre de combustion et au moins une turbine, en aval de la chambre de combustion, couplée au compresseur pour son actionnement par une détente partielle du fluide de travail chauffé par la combustion du carburant. Normalement, un restant d'énergie thermique du fluide de travail peut alors être récupéré en tant qu'énergie mécanique par une tuyère de réaction et/ou au moins une turbine supplémentaire couplée à un arbre moteur. Les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation normal du fluide de travail à travers la turbomachine. Dans les turbomachines, en particulier celles dites à flux axial, chaque aubage mobile est normalement formé autour d'un disque qui, pendant le fonctionnement de la turbomachine assure la transmission d'un couple de rotation entre l'aubage et un arbre de rotation et retient en même temps les aubes de cet aubage contre les forces centrifuges générées par leur rotation. Même si dans certains les aubes et le disque forment un ensemble monobloc (on parle alors de « disque aubagé monobloc » ou, en anglais, « blisk »), il est plus fréquent que les aubes soient formées séparément et leurs pieds soient engagés dans des alvéoles radiaux d'ancrage de pieds d'aube, distribuées régulièrement sur une périphérie du disque, autour d'un axe central de rotation du disque. En fonctionnement, ces disques peuvent tourner à des vitesses extrêmement élevées. Il est donc particulièrement important d'assurer un équilibrage précis de ces disques. Dans l'état de la technique, on connaît plusieurs techniques pouvant être utilisées pour cet équilibrage. Ainsi, une première technique proposée est celle d'usiner un cordon d'équilibrage sur au moins un secteur du disque. Ce cordon d'équilibrage peut être soit fraisé soit tourné, de manière excentrique, dans la masse du disque. Toutefois, cette technique présente certains inconvénients. Tout d'abord, elle introduit une pénalité en termes de masse du disque, ce que l'on cherche généralement à éviter, en particulier dans le domaine aéronautique. Ensuite, le positionnement de ce cordon d'équilibrage est soumis à d'importantes contraintes aérodynamiques et d'interférence avec d'autres pièces de la turbomachine qui limitent l'application potentielle de cette première technique. Une deuxième technique proposée est celle de l'équilibrage par rivets, qui pose toutefois aussi des problèmes d'incrément de masse et d'interférence avec d'autres pièces. Finalement une autre technique proposée est celle de l'usinage de festons sur une bride radiale du disque, en distribuant ces festons de manière inégale autour de l'axe central de rotation du disque. Bien que cette solution ne présente pas l'inconvénient d'ajouter une masse supplémentaire au disque, ce festonnage inégal peut présenter d'autres inconvénients, et notamment faciliter un déplacement non souhaité d'autres éléments montés sur cette bride. Objet et résumé de l'invention L'invention vise à remédier à ces inconvénients. En particulier, la présente divulgation vise à proposer un disque présentant un ou plusieurs bords disposés autour d'un axe central de rotation dudit disque, qui soit équilibré avec précision sans pénalité de masse et sans interférence mécanique avec d'autres pièces. Suivant au moins un mode de réalisation, lesdits un ou plusieurs bords sont chanfreinés de manière sensiblement inégale autour dudit axe central de rotation. Grâce au chanfrein inégal autour de l'axe central de rotation, il est possible de compenser au moins partiellement un balourd du disque, assurant ainsi le rééquilibrage du disque avec une très grande précision. En particulier, lesdits un ou plusieurs bords peuvent comprendre au moins un bord circulaire centré autour dudit axe central de rotation et chanfreiné de manière inégale autour dudit axe central de rotation. Alternativement ou en complément à ce bord circulaire, lesdits un ou plusieurs bords peuvent comprendre une pluralité de bords disposés de manière régulière autour dudit axe central de rotation, et dans lequel au moins un des bords de ladite pluralité présente un chanfrein sensiblement plus prononcé qu'un autre des bords de ladite pluralité. Ceci n'implique pas que cet autre des bords de ladite pluralité soit nécessairement chanfreiné, même légèrement, et inclut même le cas où le bord moins chanfreiné ne présente en fait aucun chanfrein sensible. Grâce au chanfrein plus prononcé de certains desdits bords, il est possible de déplacer le centre de masse de la bride annulaire de manière à équilibrer le disque en compensant au moins partiellement un balourd du reste du disque. Cette pluralité de bords peut notamment comprendre des bords séparés par des découpes radiales régulièrement disposées autour dudit axe central de rotation afin de limiter la masse du disque. Ces bords séparés par des découpes peuvent en particulier être des bords en arc de circonférence centrés autour dudit axe central de rotation, quoique d'autres bords, et notamment des bords parallèles à l'axe central de rotation, soient également envisageables. Lesdits un ou plusieurs bords peuvent notamment être formés sur une bride radiale dudit disque, ce qui permet de combiner la fonction du chanfrein, le rééquilibrage, avec la fonction principale de la bride, l'assemblage du disque à d'autres éléments, tels que d'autres disques ou un arbre de rotation. La bride radiale peut notamment être une bride radiale intérieure, qui notamment permet, dans les disques de turbomachines, d'assurer sa fonction d'assemblage sans perturber l'écoulement du fluide de travail de la turbomachine et en minimisant l'encombrement de l'ensemble. Le disque peut présenter en outre une pluralité d'alvéoles radiales d'ancrage de pieds d'aube de turbomachine, distribuées régulièrement sur une périphérie du disque, autour d'un axe central de rotation du disque, ou bien comprendre une pluralité d'aubes de turbomachine distribuées régulièrement sur une périphérie du disque, autour d'un axe central de rotation du disque, de manière à former un disque aubagé monobloc. De l'une ou de l'autre manière il serait ainsi un disque de turbomachine solidaire d'un aubage tournant d'au moins un étage de la turbomachine. Son équilibrage précis est particulièrement utile pour une application dans laquelle il serait normalement destiné à très grande vitesse sous des contraintes mécaniques et thermiques élevées. La présente divulgation concerne aussi une turbomachine comprenant un tel disque, ainsi qu'un procédé d'équilibrage d'un disque présentant un ou plusieurs bords disposés autour d'un axe central de rotation dudit disque, dans lequel, suivant au moins un mode de réalisation, lesdits un ou plusieurs bords sont chanfreinés de manière sensiblement inégale autour dudit axe central de rotation de manière à compenser au moins partiellement un balourd dudit disque. Pour cela, le chanfrein peut être fraisé, notamment si le disque présente une pluralité de bords régulièrement disposés autour de l'axe central de rotation, et que seulement certains de ces bords sont chanfreinés, ou bien tourné, avec un axe de tournage différant sensiblement dudit axe central de rotation du disque. Ainsi, l'axe de tournage peut être décalé et/ou incliné radialement par rapport à l'axe central de rotation du disque de manière à obtenir un chanfrein inégal autour de cet axe central de rotation. Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une turbomachine comprenant plusieurs disques d'aubes ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un disque de turbomachine suivant un premier mode de réalisation ; - la figure 3 est une vue de détail du disque de la figure 2; - la figure 4 est une vue de détail d'un disque de turbomachine suivant un deuxième mode de réalisation ; - la figure 5 est une vue en perspective d'un disque de turbomachine suivant un deuxième mode de réalisation ; et - la figure 6 est une vue frontale d'un disque de turbomachine suivant un troisième mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de l'invention Une turbomachine, plus spécifiquement un turboréacteur 1 à double flux, est illustrée sur la figure 1. Ce turboréacteur 1 comporte une soufflante 2 avec un redresseur 3, un compresseur basse pression 4, un compresseur haute pression 5, une chambre de combustion 6 annulaire, une turbine haute pression 7, une turbine basse pression 8, et une tuyère 9, ainsi qu'un premier arbre rotatif 10 et un deuxième arbre rotatif 11. Chacun des compresseurs 4,5 et des turbines 7,8 comprend une pluralité d'étages, chacun de ces étages comprenant un aubage fixe d'aubes de redressement, et un aubage mobile formé d'aubes solidaires d'un disque tournant. Lesdits premier et deuxième arbres rotatifs 10,11 sont coaxiaux et servent à assurer l'actionnement des compresseurs 5,6 et de la soufflante 2 par les turbines 7, 8. Le premier arbre rotatif 10 couple en rotation les disques tournants de la turbine haute pression 7 et du compresseur haute pression 5, de telle manière qu'une détente partielle des gaz de combustion issus de la turbine haute pression 7 serve à actionner le compresseur haute pression 5 pendant le fonctionnement du turboréacteur 1, tandis que le deuxième arbre rotatif 11 couple en rotation les disques tournants de la turbine basse pression 8 et du compresseur basse pression 4, ainsi que la soufflante 2, de telle manière que la détente supplémentaire des gaz de combustion dans la turbine basse pression 8 serve à actionner le compresseur basse pression 4 ainsi que la soufflante 3 pendant le fonctionnement du turboréacteur 1. Finalement, la tuyère 9 sert à obtenir une détente finale des gaz de combustion générant une poussée par réaction en direction opposée à l'éjection des gaz. Toutefois, la plus grande partie de la poussée générée par ce turboréacteur sera généralement celle générée par la soufflante. La figure 2 illustre un disque 20 d'un étage de la turbine haute pression 7. Ce disque 20, destiné à porter un aubage mobile comprend une pluralité d'alvéoles radiales 21 d'ancrage de pieds d'aube, distribuées régulièrement sur sa périphérie, autour d'un axe central de rotation X du disque 20. Par ailleurs, pour sa connexion aux autres disques tournants de la turbine haute pression 7 ainsi qu'au premier arbre rotatif 10, ce disque 20 comprend aussi une bride radiale 22 sur sa face avant. Cette bride radiale 22 est orientée radialement vers l'intérieur, de manière à minimiser l'encombrement du disque 20 et éviter de perturber l'écoulement des gaz de combustion. Son périmètre circulaire intérieur 23 est festonné de découpes radiales 24 régulièrement disposées autour de l'axe central de rotation X, entre les orifices 25 destinés à recevoir des boulons de raccordement (non illustrés), de manière à minimiser la masse du disque. Ainsi, entre les découpes radiales 24, le disque 20 présente une pluralité de bords 26 en arc de circonférence alignés sur la circonférence du périmètre circulaire intérieur 23. Comme l'on peut apprécier sur la figure 3A, illustrant la face arrière de cette bride radiale 22, ces bords 26 sont chanfreinés, avec certains des bords 26, situés sur un même secteur angulaire A de la bride radiale 22, présentant des chanfreins 27 sensiblement plus prononcés que les chanfreins 28 des autres bords 26. Ces chanfreins 27 plus prononcés sont obtenus par fraisage supplémentaire des bords 26 correspondants et permet de déplacer le centre de masse de la bride radiale 22 en sens opposé à ce secteur angulaire, de manière à compenser au moins partiellement un balourd du reste du disque 20, et ainsi équilibrer le disque 20. Une autre alternative est celle représentée par le mode de réalisation illustré sur la figure 4. Dans ce deuxième mode de réalisation, non seulement les bords 26 en arc de circonférence sont chanfreinés, mais aussi les bords axiaux 26', parallèles à l'axe central de rotation X et adjacents aux découpes radiales 24. Certains des bords axiaux 26', situés sur un même secteur angulaire A de la bride radiale 22, situés sur un même secteur angulaire A de la bride radiale 22, présentant des chanfreins 27' sensiblement plus prononcés que les chanfreins 28' des autres bords axiaux 26'. Ces chanfreins 27' plus prononcés sont aussi obtenus par fraisage supplémentaire des bords axiaux 26' correspondants et permet de déplacer le centre de masse de la bride radiale 22 de manière encore plus prononcée en sens opposé à ce secteur angulaire, pour compenser au moins partiellement un balourd du reste du disque 20, et ainsi équilibrer le disque 20. Encore une autre alternative est celle représentée sur la figure 5. Dans ce troisième mode de réalisation, on obtient des chanfreins 27 inégaux autour de l'axe central de rotation X du disque par tournage du disque 20 avec un axe de tournage décalé et/ou incliné par rapport à l'axe central de rotation X. L'opération de tournage peut en particulier être une opération de chariotage, avec déplacement de l'outil de tournage suivant l'axe de tournage. On obtient ainsi, grâce au décalage et/ou inclinaison de l'axe de tournage, un changement graduel des chanfreins 27 des bords 26 en arc de circonférence autour de l'axe central de rotation X, et un déplacement correspondant du centre de masse G de la bride radiale 22 analogue à celui du premier mode de réalisation. Les éléments restants du disque 20 sont équivalents à ceux du premier mode de réalisation et reçoivent les mêmes chiffres de référence sur la figure. Ce principe d'équilibrage n'est par ailleurs pas limité aux brides festonnées. Dans un quatrième mode de réalisation, illustré sur la figure 6, et pour le reste analogue au troisième, la bride radiale 22 ne présente aucune découpe radiale. En conséquence, le bord 26 est circulaire et continu autour de l'axe de rotation X. Il est toutefois chanfreiné, comme dans le deuxième mode de réalisation, par tournage avec un axe de tournage décalé et/ou incliné par rapport à l'axe central de rotation X. On obtient ainsi un bord 26 à chanfrein inégal autour de l'axe central de rotation, et un déplacement correspondant du centre de masse de la bride radiale 22 analogues à ceux de deux premiers modes de réalisation. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, 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. Ainsi, par exemple, le ou les bords chanfreinés ne sont pas nécessairement des bords de bride ni des bords intérieurs : d'autres bords du disque peuvent être travaillés de manière analogue. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Ainsi, par exemple, le chanfrein du troisième mode de réalisation pourrait aussi être obtenu par fraisage, comme dans le premier mode de réalisation. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.35 REVENDICATIONS1. Disque (20) présentant un ou plusieurs bords (26) disposés autour d'un axe central de rotation (X) dudit disque (20), caractérisé en ce 5 que lesdits un ou plusieurs bords (26) sont chanfreinés de manière sensiblement inégale autour dudit axe central de rotation (X). 2. Disque (20) suivant la revendication 1, dans lequel lesdits un ou plusieurs bords (26) comprennent au moins un bord circulaire centré autour dudit axe central de rotation (X) et chanfreiné de manière inégale 10 autour dudit axe central de rotation (X). 3. Disque (20) suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel lesdits un ou plusieurs bords (26) comprennent une pluralité de bords régulièrement disposés autour dudit axe central de rotation, et dans lequel au moins un des bords de ladite pluralité présente un 15 chanfrein sensiblement plus prononcé qu'un autre des bords de ladite pluralité. 4. Disque (20) suivant la revendication 3, dans lequel ladite pluralité de bords comprend des bords séparés par des découpes radiales (24) régulièrement disposées autour dudit axe central de rotation (X). 20 5. Disque (20) suivant la revendication 4, dans lequel ladite pluralité de bords comprend des bords en arc de circonférence centrés autour dudit axe central de rotation (X) et séparés par lesdites découpes radiales (24). 6. Disque (20) suivant l'une quelconque des revendications 25 précédentes, dans lequel lesdits au moins un ou plusieurs bords (26) sont formés sur une bride radiale (22) dudit disque (20). 7. Disque (20) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, présentant en outre une pluralité d'alvéoles radiales (21) d'ancrage de pieds d'aube de turbomachine, distribuées régulièrement sur 30 une périphérie du disque (20), autour de l'axe central de rotation (X) du disque (20). 8. Disque (20) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une pluralité d'aubes de turbomachine distribuées régulièrement sur une périphérie du disque (20), autour d'un axe central 35 de rotation (X) du disque (20), de manière à former un disque aubagé monobloc. 9. Turbomachine (1) comprenant un disque (20) suivant l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Procédé d'équilibrage d'un disque (20) présentant un ou plusieurs bords (26) disposés autour d'un axe central de rotation (X) dudit disque (20), dans lequel lesdits un ou plusieurs bords (26) sont chanfreinés de manière sensiblement inégale autour dudit axe central de rotation (X) de manière à compenser au moins partiellement un balourd dudit disque (20). 11. Procédé d'équilibrage suivant la revendication 10, dans lequel le chanfrein est fraisé. 12. Procédé d'équilibrage suivant la revendication 10, dans lequel le chanfrein est tourné, avec un axe de tournage différant sensiblement dudit axe central de rotation (X) du disque (20).15