Brevet FR3029238A1 — publié le 20160603

ENSEMBLE POUR TURBOMACHINE COMPRENANT DES BRAS RAYONNANTS SOUDES A UNE PIECE CIRCULAIRE DESCRIPTION Le sujet de l'invention présente est un ensemble pour turbomachine comprenant une pièce circulaire auquel des bras rayonnants sont soudés ; cet ensemble peut être un segment de stator de turbine, par exemple de turbine à basse pression, ou d'une autre pièce de la turbomachine, pouvant comprendre une virole et un moyeu concentriques auxquels les bras sont soudés ; l'invention peut être alors plus précisément localisée à une des jonctions entre les bras et une de ces deux pièces, ou à ces deux jonctions. Les bras considérés ici sont creux afin de les alléger et comprennent une cavité centrale comprenant deux faces longitudinales opposées. Si les bras s'effilent à une extrémité, ce qui est vérifié pour les bords de fuite des bras de turbomachine traversant la veine d'écoulement des gaz, les faces longitudinales de la cavité convergent aussi l'une vers l'autre et peuvent être reliées par un rayon de courbure très petit, avec l'avantage qu'un allégement plus grand du bras est obtenu. Des surépaisseurs non conformes sont toutefois constatées aux endroits où ces extrémités se raccordent à la pièce circulaire ou à des manchettes de raccord appartenant à cette pièce une fois que les jonctions ont été soudées, avec un risque de diminution des performances de la pièce en service à cause de ces surépaisseurs. Il est proposé, avec cette invention, de rendre le rayon de courbure à l'extrémité effilée du bras variable sur sa hauteur, à une valeur faible sur la plus grande partie de celle-ci, afin de continuer à bénéficier d'un grand allégement, et d'accroître ce rayon dans une zone proche de la soudure, afin de permettre à celle-ci d'être faite sans non-conformité dimensionnelle. On se prémunit ainsi contre les risques mentionnés, au prix d'un alourdissement très modeste et donc parfaitement acceptable. Le rayon de courbure peut avoir une valeur constante hors de la zone, puis être évolutif et continûment croissant vers la soudure dans au moins une première partie de la zone, avant de prendre éventue'lement une valeur constante dans une seconde partie de la zone s'étendant entre la partie précédente et la soudure. Une situation importante apparaît quand la pièce circulaire comprend des raccords de bras dont la section est semblable à celle des bras et comporte aussi une cavité. Des dispositions semblables à celles de la cavité du bras peuvent alors être proposées. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures, parmi lesquelles : la figure 1 est une vue de l'ensemble mécanique ; la figure 2 représente le bras en coupe ; la figure 3, l'application de l'invention en coupe du bras ; la figure 4, le détail du raccordement du bras e n perspective ; la figure 5, le détail du raccordement du bras en coupe longitudinale ; la figure 6, la vue extérieure du bras ; et les figures 7, 8 et 9, trois coup ?.s transversales du bras. La figure 1 représente une pièce porteuse de l'invention s'étendant suivant un axe longitudinal XX, la pièce pouvant être un étage de stator de turbine, de turbine à basse pression par exemple, dans une turbomachine et qui comprend une virole 1 extérieure, un moyeu 2 concentrique à la virole 1 et des bras 3 rayonnants, reliant le moyeu 2 à la virole 1 en leur étant reliés par leurs deux extrémités. Plus précisément, la virole 1 et le moyeu 2 sont munis de raccords 4 de même section que les bras 3 et qui les prolongent, et les bras 3 sont soudés aux raccords 4. Quoique les raccords 4 appartiennent donc à des pièces distinctes des bras 3 à l'origine, ils ont la même fonction et les mêmes propriétés aérodynamiques et mécaniques quand la pièce est assemblée. Les bras 3, ainsi que les raccords 4, sont destinés à s'étendre à travers la veine annulaire d'écoulement des gaz. Ils comprennent, ainsi que le représente la figure 2, une cavité 5 centrale, un extrados et un intrados 6 et 7, ainsi qu'un bord d'attaque et un bord de fuite 8 et 9. La structure du bras 3 est une enveloppe mince et la cavité 5 comporte donc deux faces longitudinales 10 et 11 principales et opposées, s'étendant sensiblement suivant l'axe longitudinal XX, qui convergent et se raccordent par un rayon de courbure 12, près du bord de fuite 9. Ce rayon de courbure 12 est petit en pratique et peut être de 0,8 mm. La soudure par faisceau d'électrons, réalisée usuellement à des jonctions 15 entre les bras 3 et les raccords 4 pour donner des soudures à contour fermé, peut être susceptible de former localement une surépaisseur 13 due à la mauvaise tenue du bain fondu, accompagnée d'un écoulement de la matière du bain de fusion, due au rayon de courbure 12 insuffisamment grand dans cette zone. Selon l'invention, on remédie à cette situation en donnant au rayon de courbure 12 des plus grandes valeurs dans des zones de transition 14 à proximité des raccords 4, ce que représente la figure 3. Les figures 4 et 5 donnent une vue d'ensemble de la structure obtenue, qu'on peut trouver aux raccordements des bras 3 avec la virole 1, le moyeu 2, ou les deux. La ligne du rayon de courbure 12 suivant la direction d'extension des bras 3 (d'un raccordement à l'autre) est d'abord sensiblement rectiligne, puis s'infléchit progressivement en s'éloignant du bord de fuite 9, comme représenté sur la figure 5, quand des zones de transition 14, adjacente aux raccords 4 et aux soudures, sont atteintes, avec une croissance de plus en plus rapide dans une première partie des zones de transition 14, puis une croissance plus faible, voire nulle, dans une seconde partie des zones de transition 14, jusqu'aux jonctions 15 avec les raccords 4. Le rayon de courbure joignant les faces longitudinales 10 et 11 devant se raccorder à elles sans former d'angle, on comprend à l'aide de la figure 3 que le rayon de courbure sera d'autant plus grand que la ligne du rayon de courbure 12 sera plus éloignée du bord de fuite 9 : le rayon de courbure 12 sera donc croissant dans les zones de transition 14 en s'approchant de la jonction 15. Les raccords 4 peuvent avoir la même section et la même structure creuse que les bras 3 : les mêmes dispositions peuvent être appliquées à leur cavité à leur bord de fuite, de sorte que la ligne de rayon de courbure 12 peut être symétrique de part et d'autre des jonctions 15. Cependant, la symétrie n'est pas imposée, un mode de réalisation en fonderie pouvant requérir, par exemple, des caractéristiques d'asymétrie. L'invention reste compatible avec une fabrication adaptée à la fonderie. Dans un mode particulier de réalisation, le rayon de courbure 12 est égal à 0,8 mm hors des zones de transition 14, et atteint 2 mm à sa plus grande valeur à proximité de la jonction 15. Des valeurs plus grandes sont possibles, mais la valeur de 2 mm est jugée pleinement satisfaisante. La zone de transition 14 peut avoir une longueur de 10 mm à 20 mm de chaque côté de la jonction 15 suivant la direction d'extension des bras 3. La figure 5 est une autre vue en coupe d'un bras 3 et d'un raccord 4 au voisinage de la jonction 15. On a représenté une zone centrale 16 de la ligne du rayon de courbure 12, partagée entre le bras 3 et le raccord 4, où le rayon de courbure 12 est maximal (il a la valeur de 2 mm de l'exemple numérique donné ci-dessus). Cette zone centrale 16, incluse dans les zones de transition 14, peut avoir une longueur de 10 mm de chaque côté de la jonction pour des zones de transition 14 de 20 mm de longueur chacune (figure 5). Le cordon de soudure a typiquement une largeur de 5 mm de chaque côté de la jonction 15. L'angle A ou B formé, respectivement dans le bras 3 et le raccord 4, par la ligne du rayon de courbure 12 avec la direction principale d'extension du bras 3 peut être de 100 à 70° en pratique, et peut être variable. Ainsi qu'on l'a signalé, la symétrie des zones de transition 14 pour le bras 3 et le raccord 4 n'est pas requise, et une transition plus courte peut être nécessaire dans le raccord 4, ce qui impose alors, en valeurs moyennes, que la valeur de l'angle B est supérieure à celle de l'angle A. Un angle A ou B élevé permet une économie de masse, mais un angle A ou B faible rend la fonderie plus facile. Les valeurs indiquées représentent un compromis entre ces exigences. Les rayons de raccordement que prend la ligne du rayon de courbure 12 au début de la zone de transition 14 et au début de la zone centrale 16 sont compatibles avec les contraintes fluides. On a encore représenté une collerette extérieure 17 autour de la jonction 15 à la figure 5. Il s'agit d'une surépaisseur du cordon (de soudure). Les figures 6, 7, 8 et 9 sont d'autres vues illustrant l'évolution du rayon de courbure 12 et de la forme de la cavité 5 le long du bras 3, dans la zone 16 centrale (figure 7), la zone de transition 14 hors de la zone centrale 16, c'est-à-dire à un rayon de courbure intermédiaire (figure 8), et hors de la zone de transition 14 (figure 9). Un autre aspect de l'invention est une turbomachine équipée de la pièce décrite comprenant les bras 3, la turbomachine s'étendant suivant l'axe longitudinal XX de la pièce porteuse. REVENDICATIONS1) Ensemble pour turbomachine, comprenant une pièce circulaire (1,2) et des bras (3) rayonnants reliés à ladite pièce par une jonction (15) soudée à contour fermé, les bras (3) ayant une cavité (5) interne comprenant deux faces (10, 11) raccordées par un rayon de courbure (12), caractérisé en ce que le rayon de courbure a une valeur plus grande dans une zone (14) adjacente à la jonction (15) que hors de ladite zone. 2) Ensemble pour turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon de courbure a une valeur constante hors de la zone, et continûment 10 croissante vers la jonction (15) dans au moins une première partie de la zone (14). 3) Ensemble pour turbomachine selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rayon de courbure a une valeur constante dans une seconde partie (16) de la zone, s'étendant entre la première partie et la jonction (15). 4) Ensemble pour turbomachine selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 3, caractérisé.en ce que la zone (14) s'étend sur une longueur de 10 à 20 mm à partir de la jonction (15) suivant une direction d'extension du bras (3). 5) Ensemble pour turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une ligne du rayon de courbure (12) fait un angle compris de 100 à 700 avec une direction principale d'extension du bras à une 20 portion de la zone (14). 6) Ensemble pour turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rayon de courbure a une valeur de 2 mm dans une partie au moins de la zone (14). 7) Ensemble pour turbomachine selon l'une quelconque des 25 revendications là 6, caractérisé en ce que la pièce circulaire comporte des raccords (4) des bras (3), les raccords ayant une cavité centrale et une même section que les bras (3), et les bras sont reliés aux raccords-(4) par les soudures. 8) Ensemble pour turbomachine selon la revendication 7, caractérisé en ce que les cavités des raccords comprennent aussi deux faces raccordées par un rayon decourbure, le rayon de courbure ayant une valeur plus grande dans une zone (14) adjacente à la jonction que hors de ladite zone (14) dans les raccords (4). 9) Ensemble pour turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une virole (1) et un moyeu (2) concentriques auxquels les bras (3) sont reliés par les jonctions (15), et ladite zone (14) est adjacente à la virole, au moyeu, ou à chacun d'eux. 10) Ensemble pour turbomachine selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est un segment de stator de turbine à basse pression. 11) Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble selon l'une quelconque des revendications là 10.