Brevet FR3059775A1 — publié le 20180608

Dispositif d'équilibrage pour arbre supercritique de turbomachine DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de la présente invention est celui de l'équilibrage des 5 pièces tournantes fonctionnant en régime supercritique et plus particulièrement celui de l'équilibrage des arbres d'entraînement des turbomachines, et notamment des arbres basse pression. L'invention concerne en particulier un dispositif d'équilibrage pour arbre supercritique de turbomachine, ainsi qu'un procédé d'équilibrage mettant en oeuvre ledit 10 arbre. ETAT DE L'ART Les arbres d'entraînement, tels que ceux des turbomachines, tournent à des vitesses élevées et sont soumis à des contraintes 15 importantes. Il importe qu'un équilibrage soit réalisé pour éviter les contraintes mécaniques liées à des balourds qui ne seraient pas compensés. Un balourd correspond à un déséquilibre du rotor du fait de la non-coïncidence de l'axe principal d'inertie et du centre d'inertie avec l'axe de rotation. Le balourd se caractérise ainsi par une masse qui n'est pas 20 parfaitement répartie sur un volume de révolution autour de l'axe de rotation de l'arbre, ce qui entraîne un déséquilibre lors du fonctionnement de la machine. Il est d'autant plus nécessaire de corriger ce phénomène que l'arbre en question est dit supercritique, c'est à dire qu'il fonctionne à une vitesse de rotation supérieure à celle pour laquelle apparaît son 25 premier mode de déformation en flexion. Dans ce cas, la combinaison du balourd et de la fréquence propre de résonance de l'arbre sur cette vitesse de rotation, avec des déplacements et des efforts amplifiés sur cette résonance, peut aboutir à des dommages mécaniques importants, même si l'arbre ne fait que passer à travers cette vitesse de rotation critique lors 30 d'une accélération ou d'une décélération. 3059775 2 Un arbre peut comporter plusieurs vitesses critiques, s'il fonctionne à des vitesses de rotation supérieures à celles de ses divers modes de flexion. Les modes de flexion sont déterminés à l'issue d'une analyse modale et se caractérisent par une fréquence propre (la vitesse critique pour ce mode) et une déformée modale, avec des noeuds et des ventres de mouvement. Un équilibrage de l'arbre permet de réduire l'excitation due au balourd, réduisant ainsi les contraintes internes dans les pièces tournantes au passage des modes de résonance et dans la plage de fonctionnement. II se pratique généralement par un ajout ou un enlèvement de matière approprié, positionné à un endroit bien précis, qui est déterminé sur un banc d'équilibrage spécifique. L'équilibrage de l'arbre est ainsi habituellement effectué par usinage d'un ou plusieurs cordons d'équilibrage formés sur le pourtour de l'arbre, typiquement au nombre de un à trois. La figure 1 illustre un arbre 1 muni d'un tel cordon 2. Pour équilibrer, on enlève un peu de matière sur le cordon 2. Il faut toutefois déterminer avec une grande précision la quantité de matière à retirer, car l'équilibrage d'un arbre par des cordons usinés est définitif et ne permet pas de modification de l'équilibrage au cours de la vie de l'arbre. Or, pour un arbre supercritique, la présence de systèmes d'amortissement, comme les paliers avec un film d'huile, sur la ligne d'arbre, rendent la réponse dynamique non linéaire : il est donc difficile de déterminer le balourd de correction en une seule fois. Pour déterminer le balourd de correction, une approche classique consiste à monter un ou plusieurs colliers 3 autour de l'arbre (figure 2). On réalise plusieurs essais en ajoutant des masselottes sur ces colliers pour minimiser le balourd. Dès que le balourd de correction est connu, on procède à l'usinage du ou des cordons d'équilibrage sur l'arbre. 3059775 3 Ces dispositifs d'équilibrage de type collier présentent plusieurs inconvénients. Comme ils sont constitués de plusieurs secteurs montés autour de l'arbre, il y a un risque de détachement du collier sous l'effet de la force centrifuge. En outre, le balourd du collier seul est non négligeable, du 5 fait des moyens de liaison entre les secteurs du collier (par exemple une liaison de type bride tel qu'illustré à la figure 2). La masse du collier n'est pas négligeable et peut impacter la situation dynamique. Enfin, le réglage du balourd à l'aide de masselottes est peu précis. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, en 10 proposant un dispositif d'équilibrage pour arbre supercritique de turbomachine qui permette notamment une détermination précise et sécurisée du balourd de correction à apporter à l'arbre. EXPOSE DE L'INVENTION 15 L'invention a ainsi pour objet un dispositif d'équilibrage pour arbre supercritique de turbomachine, en particulier pour un arbre basse pression supercritique. Le dispositif selon l'invention est de forme allongée et comprend deux parties longitudinales adjacentes, dont une première partie de support 20 et de positionnement, dite partie support, et une deuxième partie de balourd de correction, dite partie balourd, la partie support présentant une surface extérieure destinée à venir en contact avec une surface intérieure de l'arbre, et la partie balourd comprenant au moins deux réservoirs de masse s'étendant longitudinalement depuis un pourtour transversal 25 extérieur de la partie support, de manière à ce que chaque réservoir vienne en contact avec la surface intérieur de l'arbre sous l'effet de la force centrifuge lorsque l'arbre est en rotation. Ainsi, la configuration du dispositif pour un positionnement à l'intérieur de l'arbre, et le réglage optimisé de la masse qui vient s'appuyer 30 sur l'arbre, permettent de déterminer de manière précise et sécurisée le balourd de correction. 3059775 4 La partie support peut comprendre au moins un joint annulaire transversal disposé dans une rainure transversale de la partie support. La partie support est avantageusement cylindrique et peut être munie d'un évidement central, et comprendre, sur une surface transversale 5 arrière, située du côté opposé à la partie balourd, au moins une rainure longitudinale de positionnement. La partie support peut également comprendre une surface transversale avant située du côté de la partie balourd. La partie support peut comprendre au moins une rainure 10 longitudinale traversante adjacente à l'évidement central et reliant la surface transversale arrière à la surface transversale avant. La partie support peut comprendre un nombre égal de rainures longitudinales de positionnement et de rainures longitudinales travsersantes, et chaque rainure longitudinale traversante peut être 15 intercalée entre deux rainures longitudinales de positionnement. Le dispositif peut comprendre en outre un outil cylindrique de positionnement destiné à s'accoupler par crabotage avec la partie support à l'aide d'au moins une dent de l'outil destinée à être insérée dans une rainure de positionnement de la partie support. 20 L'outil est ainsi apte à se déplacer entre une position de positionnement du dispositif, dans laquelle il est en appui sur la surface transversale arrière de la partie support, et une position de retrait du dispositif, dans laquelle l'outil est en appui sur la surface transversale avant de la partie support. Le passage de l'outil de la position de positionnement 25 à la position de retrait s'effectue par passage des dents de l'outil dans les rainures traversantes de la partie support. Dans la position de positionnement du dispositif, l'outil s'accouple par crabotage avec la partie support à l'aide des dents qui sont insérées dans les rainures de positionnement de la partie support. Une translation de l'outil vers l'intérieur 30 de l'arbre permet de positionner axialement le dispositif. A l'inverse, dans la 3059775 5 position de retrait, une translation de l'outil dans la direction opposée, vers l'extérieur de l'arbre, permet de retirer le dispositif de l'arbre. Les réservoirs de masse sont avantageusement répartis de manière régulière sur un pourtour transversal extérieur de la partie balourd. 5 Chaque réservoir de masse peut comprendre un liquide ou un solide. La partie balourd peut comprendre quatre réservoirs de masse. L'invention a également pour objet un arbre supercritique de turbomachine, en particulier un arbre basse pression supercritique. 10 L'arbre selon l'invention est muni, en particulier à l'intérieur de l'arbre, d'un dispositif d'équilibrage décrit ci-dessus. L'invention a enfin pour objet un procédé d'équilibrage d'un arbre supercritique de turbomachine, en particulier d'un arbre basse pression supercritique. 15 Le procédé selon l'invention met en oeuvre un dispositif d'équilibrage décrit ci-dessus. Le procédé peut en particulier comprendre une étape d'introduction du dispositif d'équilibrage à l'intérieur de l'arbre, une étape de détermination du balourd de correction à l'aide du dispositif d'équilibrage, 20 puis une étape d'usinage d'au moins un cordon d'équilibrage disposé sur le pourtour de l'arbre, en fonction du balourd de correction déterminé. DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques 25 et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, est une vue partielle en perspective d'un arbre basse pression supercritique de turbomachine, 30 - la figure 2, déjà décrite, illustre en perspective un collier d'équilibrage utilisé pour déterminer le balourd de correction, 3059775 6 - la figure 3 est une vue partielle en section longitudinale d'un arbre basse pression supercritique de turbomachine muni d'un dispositif d'équilibrage selon l'invention, - la figure 4 illustre en perspective le dispositif d'équilibrage selon 5 l'invention, - la figure 5 est une vue partielle en perspective de l'arbre muni du dispositif d'équilibrage, lors de la rotation de l'arbre, et - les figures 6A à 6C sont des vues en perspective du dispositif illustrant le positionnement du dispositif dans l'arbre puis le retrait du 10 dispositif hors de l'arbre. DESCRIPTION DETAILLEE Les figures 3 et 4 illustrent un dispositif d'équilibrage pour arbre supercritique de turbomachine, en particulier pour un arbre basse pression 15 supercritique, selon l'invention. Le dispositif 4 selon l'invention est destiné à être placé à l'intérieur de l'arbre 1, et non à l'extérieur, ce qui minimise sa masse du fait du plus faible rayon du dispositif 4. Le dispositif d'équilibrage 4 est de forme allongée et comprend deux parties longitudinales successives et adjacentes, à savoir une première 20 partie 5 assurant une fonction de support et de positionnement du dispositif 4, et notamment de support et de positionnement de la deuxième partie, ainsi qu'une deuxième partie 6 assurant une fonction de balourd de correction. La partie support 5 est globalement tubulaire est destinée à être 25 insérée dans l'arbre basse pression supercritique 1 et à épouser la surface intérieure 1 a de l'arbre basse pression supercritique 1. La surface extérieure cylindrique 5c de la partie support 5 comprend à cet effet des rainures annulaires transversales 7 (figure 6A), par exemple au nombre de deux sur les figures, et destinées à accueillir chacune un joint torique 8. Les 30 joints toriques 8 frottent sur la surface intérieure 1 a de l'arbre 1, ce frottement suffit à maintenir le dispositif d'équilibrage 4 à la position 3059775 7 souhaitée au montage. Le dispositif 4 présente globalement un rayon extérieur légèrement inférieur à celui de l'arbre 1, le maintien en position étant assuré à l'aide du ou des joints 8. La partie support 5 assure également, en lien avec un outillage 5 approprié, une fonction de positionnement/retrait du dispositif d'équilibrage 4, qui sera décrite par la suite. La deuxième partie 6, qui assure une fonction de balourd de correction, est munie à cet effet d'une pluralité de réservoir de masse 9, typiquement au moins deux réservoirs de masse, et de préférence au 10 moins trois réservoirs de masse. Tel qu'illustré sur les figures 4 et 5, et de manière avantageuse, la partie balourd 6 est munie de quatre réservoirs de masse 9. Chaque réservoir de masse 9 s'étend longitudinalement depuis la partie support 5, par exemple depuis un pourtour extérieur 5d d'une surface transversale avant 5b de la partie support 5. Les réservoirs de masse 9 15 s'étendent ainsi sur un pourtour transversal extérieur du dispositif d'équilibrage 4. Ils sont distincts et sont séparés entre eux par des espaces 10. Les réservoirs de masse 9 sont avantageusement répartis de manière régulière sur ce pourtour, à égale distance les uns des autres. Ainsi, pour n réservoirs de masse, l'angle entre deux réservoirs de masse 20 consécutifs, vu du centre du dispositif 4, est ainsi avantageusement égal à 360°/n, soit un angle de 90° dans le cas des quatre réservoirs 9 illustrés. Chaque réservoir de masse 9 vient ainsi prolonger longitudinalement la partie support 5. En particulier, la surface extérieure 9c des réservoirs 9 est dans le prolongement de la surface extérieure 5c de la 25 partie support 5. Chaque réservoir 9 présente en coupe transversale une surface en forme de portion d'anneau, dont le rayon extérieur est égal au rayon du pourtour extérieur de la partie support 5. Le rayon intérieur, ainsi que la longueur de chaque réservoir 9, sont choisis en fonction du volume que l'on 30 souhaite conférer au réservoir 9. 3059775 8 Les réservoirs de masse 9 comprennent une cavité 11 destinée à accueillir la masse de balourd de correction. Les cavités 11 peuvent être cylindrique ou de toute autre forme longitudinale. On peut disposer dans la cavité 11 de chaque réservoir 9 une masse 5 de liquide, par exemple de l'eau ou de l'eau sucrée pour avoir une densité plus importante. On peut également envisager de disposer dans la cavité 11 une masse de solide, par exemple du sable. La masse contribue à déterminer le balourd de correction que l'on souhaite apporter. Les réservoirs de masse 9, et plus précisément les cavités 11, sont 10 munis à leur extrémité aval d'un élément d'obturation 12, tel qu'une vis ou un bouchon d'étanchéité. Tel qu'illustré à la figure 5, lors de la rotation de l'arbre 1, la force centrifuge tend à écarter les réservoirs 9 qui viennent alors en contact avec la surface intérieure de l'arbre 1, ce qui assure un serrage et donc le 15 maintien du dispositif d'équilibrage en position. Le dispositif d'équilibrage selon l'invention présente ainsi de nombreux avantages. Le dispositif disposé à l'intérieur de l'arbre est axisymétrique, ce qui assure une tenue mécanique non problématique et le dispositif est naturellement contenu en cas de défaillance. L'équilibrage est 20 réalisé à l'aide d'un solide ou d'un liquide. On obtient ainsi une grande précision sur la masse ajoutée ou retirée car il est facile de déterminer la masse dans chaque réservoir. En outre, le dispositif étant compact et relativement axisymétrique en masse, la masse globale et le balourd sont minimisés. Enfin, il n'y a pas de système mécanique mobile de type vis 25 pour le maintien du dispositif. L'installation du dispositif est donc aisée et il n'y a pas de risque de mauvais serrage lors du montage. Le positionnement du dispositif à l'intérieur de l'arbre puis le retrait du dispositif vont maintenant être décrits, en liaison avec les figures 3 et 6A à 6C. 30 On utilise un outil 14 de positionnement et de retrait, se présentant sous la forme d'une canne cylindrique de diamètre inférieur à celui du 3059775 9 dispositif 4. L'outil 14 est muni d'une pluralité d'éléments en saillie sous la forme de dents ou d'ergots 15, par exemple trois dents dans l'exemple illustré aux figures 6A à 6C. Les dents 15 sont disposées sensiblement à une extrémité longitudinale de l'outil cylindrique 14 et sont disposées sur la 5 surface extérieure 14a de l'outil 14, perpendiculairement à ladite surface 14a. Les trois dents 15 sont de préférence régulièrement réparties sur la surface extérieure 14a et l'angle entre deux dents 15 consécutives, vu du centre de l'outil 15, est ainsi avantageusement de 120°. Tel qu'illustré à la figure 6A, pour placer le dispositif d'équilibrage 4 à 10 la position axiale souhaitée à l'intérieur de l'arbre 1, on vient pousser le dispositif 4 à l'aide des dents 15, les dents 15 venant s'inscrire dans trois logements de positionnement 16 de la partie support 5 du dispositif 4. Les logements 16 sont des rainures réparties régulièrement sur un cercle dans une surface transversale avant 5a de la partie support 5. 15 Pour le retrait du dispositif d'équilibrage 4 hors de l'arbre 1, on utilise également l'outil 14. Par rapport à sa position lors du montage, l'outil 14 est tourné d'environ 60° de manière à ce que les dents 15 pénètrent dans des rainures longitudinales traversantes 17 de la partie support 5 du dispositif 4. Les rainures 17 traversent longitudinalement toute la partie support 5. Les 20 rainures 17 relient ainsi la surface transversale arrière 5a à la surface transversale avant 5b de la partie support 5, au niveau d'un évidement central cylindrique 13 de la partie support 5 délimitant le pourtour intérieur de la surface transversale arrière 5a. Une fois que les dents 15 ont traversé les rainures traversantes 17 (figure 6B), on tourne les dents 15 qui viennent 25 alors en butée contre la surface transversale avant 5b de la partie support 5 (figure 6C). On peut alors retirer le dispositif d'équilibrage 4 de l'arbre 1 en tirant longitudinalement l'outil 14. Il va maintenant être décrit un exemple de procédé d'équilibrage de l'arbre supercritique 1. 30 Au début du procédé, on place le dispositif d'équilibrage 4 à l'entrée de l'arbre 1. Les dents 15 de l'outil 14 de positionnement et de retrait sont 3059775 10 insérées dans les logements 16 de la partie support 5 du dispositif 4. Par translation de l'outil 14, on amène le dispositif 4 jusqu'à une position axiale (longitudinale) prédéterminée de l'arbre 1. Une rotation de l'outil 14 permet si nécessaire de régler la position radiale des réservoirs de masse 9. 5 L'outil 14 est ensuite retiré de l'arbre 1. On procède alors à la détermination du balourd de correction à apporter à l'arbre pour la position axiale prédéterminée. La position axiale prédéterminée est de préférence une position axiale située au niveau du cordon 2 ou dans un voisinage de celui-ci (figure 3). 10 Le dispositif d'équilibrage 4, muni des réservoirs 9 vides, est monté à l'intérieur de l'arbre 1 à l'aide de l'outil 14. Lors de la rotation de l'arbre 1, on mesure, à l'aide de capteurs de déplacement qui mesurent la flèche de l'arbre 1, le balourd à corriger et son orientation angulaire. On en déduit, par calcul vectoriel, le ou les réservoirs 9 dans 15 lesquels il faut ajouter les masses et les valeurs de ces masses. On effectue à nouveau une rotation pour confirmer. Le processus est répété jusqu'à obtenir le balourd maximum admissible que l'on s'est fixé. Le dispositif d'équilibrage 4 est alors retiré de l'arbre 1 en le tirant à l'aide de l'outil 14 dont les dents 15 viennent appuyer sur la surface 20 transversale avant 5b de la partie support 5. Un usinage du ou des cordons d'équilibrage 2 est alors effectué, en fonction du balourd de correction ainsi déterminé. Le prélèvement de matière ainsi effectué permet de rapprocher l'axe d'inertie et le centre d'inertie de l'axe de rotation de l'arbre 1. 25 REVENDICATIONS1. Dispositif d'équilibrage (4) pour arbre supercritique (1) de turbomachine, en particulier pour un arbre basse pression supercritique, caractérisé en ce qu'il est de forme allongée et comprend deux parties longitudinales adjacentes (5, 6), dont une première partie (5) de support et de positionnement, dite partie support, et une deuxième partie (6) de balourd de correction, dite partie balourd, la partie support (5) présentant une surface extérieure (5c) destinée à venir en contact avec une surface intérieure (1a) de l'arbre (1), et la partie balourd (6) comprenant au moins deux réservoirs de masse (9) s'étendant longitudinalement depuis un pourtour transversal extérieur (5d) de la partie support (5), de manière à ce que chaque réservoir (9) vienne en contact avec la surface intérieure (1a) de l'arbre (1) sous l'effet de la force centrifuge lorsque l'arbre (1) est en rotation. 2. Dispositif (4) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie support (5) comprend au moins un joint annulaire transversal (8) disposé dans une rainure transversale (7) de la partie support (5). 3. Dispositif (4) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie support (5) est cylindrique et est munie d'un évidement central (13), et comprend, sur une surface transversale arrière (5a), située du côté opposé à la partie balourd (6), au moins une rainure longitudinale de positionnement (16), et en ce que la partie support (5) comprend une surface transversale avant (5b) située du côté de la partie balourd (6). 4. Dispositif (4) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie support (5) comprend au moins une rainure longitudinale traversante (17) adjacente à l'évidement central (13) et reliant la surface transversale arrière (5a) à la surface transversale avant (5b). 5. Dispositif (4) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie support (5) comprend un nombre égal de rainures longitudinales de positionnement (16) et de rainures longitudinales traversantes (17), et en 3059775 12 ce que chaque rainure longitudinale traversante (17) est intercalée entre deux rainures longitudinales de positionnement (16). 6. Dispositif (4) selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un outil cylindrique de positionnement (14) 5 destiné à s'accoupler par crabotage avec la partie support (5) à l'aide d'au moins une dent (15) de l'outil (14) destinée à être insérée dans une rainure de positionnement (16) de la partie support (5). 7. Dispositif (4) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les réservoirs de masse (9) sont répartis de manière régulière sur un 10 pourtour transversal extérieur de la partie balourd (6). 8. Dispositif (4) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque réservoir de masse (9) comprend un liquide ou un solide. 9. Dispositif (4) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la partie balourd (6) comprend quatre réservoirs de masse (9). 15 10. Arbre supercritique (1) de turbomachine, en particulier arbre basse pression supercritique (1), caractérisé en ce qu'il est muni d'un dispositif d'équilibrage (4) selon l'une des revendications 1 à 9. 11. Procédé d'équilibrage d'un arbre supercritique (1) de turbomachine, en particulier d'un arbre basse pression supercritique, caractérisé en ce 20 qu'il met en oeuvre un dispositif d'équilibrage (4) selon l'une des revendications 1 à 9. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'introduction du dispositif d'équilibrage (4) à l'intérieur de l'arbre (1), une étape de détermination du balourd de correction à l'aide du 25 dispositif d'équilibrage (4), puis une étape d'usinage d'au moins un cordon d'équilibrage (2) disposé sur le pourtour de l'arbre (1), en fonction du balourd de correction déterminé.