Brevet FR3051827A1 — publié le 20171201

Ensemble rotatif pour turbomachine, équipé de moyens de verrouillage mutuel jonc-flasque d'étanchéité. L'invention se rapporte à un ensemble rotatif pour turbomachine, typiquement un turboréacteur d'aéronef, ainsi qu'à une turbomachine comprenant un tel ensemble. Un ensemble rotatif, qui équipe notamment un compresseur de turbomachine, comprend un disque et des aubes qui s'étendent radialement vers l'extérieur depuis le disque et dont des pieds sont engagés axialement dans des alvéoles ménagés à la périphérie du disque. Les aubes sont retenues radialement par des dents du disque, disposées de manière alternée avec les alvéoles. Le flux de gaz parcourant le compresseur circule entre les aubes et entraîne ainsi le disque en rotation à haute vitesse. Les effets centrifuges de cette rotation tendent à écarter les aubes du disque et à créer entre eux des interstices et des cavités. Il n'est pas souhaitable que les gaz circulent au travers de ces interstices et cavités, car une telle circulation n'est pas motrice dans la rotation du disque et entraîne en outre un échauffement local de celui- ci, susceptible d'entraîner sa fissuration par fatigue thermique. C'est pourquoi des systèmes d'étanchéité sont généralement prévus en amont et en aval du disque. La demande de brevet français FR 3 022 944 (ou son équivalent international WO 2015/197980) décrit un système d'étanchéité plutôt destiné à être positionné en amont du disque, et qui donne satisfaction. En aval, le système d'étanchéité comprend ordinairement un flasque segmenté, fixé sur le disque par crochetage. Plus précisément, le disque est pourvu d'une lèvre périphérique qui, en section axiale, forme un crochet, tandis que le flasque est pourvu quant à lui d'une rainure dans laquelle la lèvre vient s'emboîter. Le système d'étanchéité comprend en outre un jonc plaqué contre le disque et qui, par les effets centrifuges de la rotation de celui-ci, se dilate radialement et repousse axialement le flasque à la manière d'une came. Il en résulte un pivotement du flasque autour de l'extrémité du crochet, jusqu'à ce qu'un bord externe du flasque vienne faire contact, de manière étanche, avec un becquet aval des aubes. Ce système assure ainsi une double 3051827 2 étanchéité : premièrement, à l'interface flasque / becquet ; deuxièmement, à l'interface jonc / flasque. A l'arrêt du moteur, les effets centrifuges cessent ; le jonc se rétracte radialement et le flasque pivote à l'inverse vers une position de 5 repos dans laquelle son bord externe est écarté du becquet aval des aubes. Les cycles de mise en route et arrêt successifs de la turbine entraînent, en premier lieu, une usure mécanique : - du disque et du flasque par frottement de la lèvre en fond de 10 rainure, - du jonc par frottement contre le flasque. Ces cycles entraînent, en second lieu, une fatigue mécanique du disque en raison des nombreuses flexions subies par la lèvre sous l'effet du pivotement répété du flasque. 15 Il existe en conséquence un besoin de perfectionner l'architecture du système d'étanchéité aval pour rendre le disque moins sensible à l'usure et à la fatigue mécanique, et ainsi pour augmenter sa durée de vie. A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un ensemble rotatif 20 pour turbomachine, qui comprend un disque dont une périphérie externe pourvue d'une alternance d'alvéoles et de dents qui s'étendent d'une face amont à une face aval du disque, le disque étant pourvu, du côté de la face arrière, d'une lèvre en saillie formant crochet ; 25 - une pluralité d'aubes qui s'étendent radialement à partir du disque, chaque aube étant pourvue d'un pied engagé axialement dans un alvéole en étant retenu radialement par des dents ; en aval du disque, un flasque annulaire d'étanchéité qui comprend : 30 o une couronne dont un bord externe est agencé pour venir faire contact avec un becquet aval d'aube, o une collerette qui fait saillie de la couronne pour définir avec elle une rainure par laquelle le flasque est emboîté sur la lèvre, et 3051827 3 o un talon qui prolonge radialement la couronne au-delà de la collerette, ce talon présentant une face interne d'appui en regard de la face arrière du disque ; un jonc intercalé entre la face arrière du disque et la face interne 5 du talon du flasque, ce jonc ayant une portée tronconique en contact avec la face interne d'appui du talon et étant mobile entre : o une position radialement rétractée, dans laquelle il permet au flasque d'occuper une position droite dans laquelle le bord externe est écarté du becquet aval d'aube, et 10 o une position radialement déployée, dans laquelle il force le flasque à occuper une position basculée dans laquelle le bord externe fait contact avec le becquet aval d'aube, des moyens complémentaires, répartis sur le jonc et le flasque, de verrouillage du jonc en position radialement déployée. 15 Selon un premier mode de réalisation, les moyens de verrouillage se présentent sous forme d'une inclinaison de la portée tronconique et de la face interne d'appui du talon, par rapport à la face arrière du disque, d'un angle compris entre 15° et 40°, et par ex. de 25° environ. La portée tronconique et la face interne d'appui présentent 20 avantageusement une rugosité Ra comprise entre 1 pm et 2 pm, et par ex. de 1,6 pm. Selon un deuxième mode de réalisation, les moyens de verrouillage comprennent : sur le talon du flasque, une nervure en saillie, 25 - sur le jonc, un cran qui, en position déployée, vient s'encliqueter sur la nervure. Le jonc est de préférence réalisé dans un acier fortement allié au nickel et au chrome, par ex. dans un inconel (marque déposée). Il est proposé, en deuxième lieu, un compresseur de turbomachine, 30 qui comprend au moins un ensemble rotatif tel que présenté ci-dessus. Il est proposé, en troisième lieu, une turbomachine, tel qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, équipée d'un tel compresseur. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en 35 référence aux dessins annexés dans lesquels : 3051827 4 la FIG.1 est une vue en perspective, en coupe, d'une turbomachine ; la FIG.2 est une vue de détail en coupe d'un compresseur équipant la turbomachine ; 5 la FIG.3 est une vue en perspective d'un ensemble rotatif comprenant un disque et une corolle d'aubes ; la FIG.4 est une vue en perspective montrant l'ensemble rotatif de la FIG.3 éclaté ; la FIG.5 est une vue de détail, à plus grande échelle, de 10 l'ensemble rotatif de la FIG.4, selon l'encart V ; la FIG.6 est une vue de détail en coupe de l'ensemble rotatif de la FIG.3, suivant le plan de coupe VI-VI et selon un premier mode de réalisation ; la FIG.7 est une vue de détail, à plus grande échelle, illustrant le 15 verrouillage du disque en position basculée selon le premier mode de réalisation ; la FIG.8 est une vue similaire à la FIG.6, illustrant l'ensemble rotatif selon un deuxième mode de réalisation ; la FIG.9 est une vue de détail, à plus grande échelle, illustrant la 20 position radialement rétractée du jonc selon le deuxième mode de réalisation ; la FIG.10 est une vue similaire à la FIG.9, illustrant la position radialement déployée du jonc selon le deuxième mode de réalisation. 25 Sur la FIG.1 est représentée une turbomachine 1 (en l'espèce un turboréacteur) destinée à équiper un aéronef tel qu'un avion. Il s'agit ici d'un réacteur à double flux, qui comprend une soufflante 2 assurant une compression initiale de l'air entrant. L'air sortant de la soufflante 2 est séparé en deux flux, à savoir un flux primaire qui traverse toute la 30 turbomachine 1, et un flux secondaire qui le contourne. Pour comprimer et guider les gaz du flux primaire, la turbomachine 1 comprend un compresseur 3 basse pression en aval de la soufflante 2, un compresseur 4 haute pression en aval du compresseur 3 basse pression, une chambre 5 de combustion en aval du compresseur 4 35 haute pression, et une turbine 6 en aval de la chambre 5 de combustion. 3051827 5 Les gaz chauds sortant par l'aval de la chambre 5 de combustion entraînent en rotation la turbine 6, qui entraîne à son tour les compresseurs 3, 4 dont elle est solidaire. Les compresseurs 3, 4 et la turbine 6 présentent une architecture 5 globalement similaire. Chacun comprend un ensemble 7 rotatif, incluant au moins un disque 8 et une pluralité d'aubes 9 qui s'étendent radialement à partir du disque 8 autour duquel les aubes 9 forment une corolle. Dans l'exemple illustré sur la FIG.2, qui montre un compresseur 3 10 haute pression en coupe partielle, l'ensemble 7 rotatif comprend une succession de disques 8 fixés les uns aux autres pour être solidarisés en rotation, chacun portant à sa périphérie une série d'aubes 9. On voit que l'envergure des aubes 9 décroît de gauche (côté amont) à droite (côté aval), pour accompagner la diminution de volume 15 de l'air à mesure que celui-ci est comprimé. Chaque disque 8 est entraîné en rotation autour d'un axe X commun. Chaque disque 8 est pourvu, sur une périphérie externe, d'une alternance d'alvéoles 10 et de dents 11 qui s'étendent d'une face 12 amont à une face 13 aval du disque 8, toutes deux sensiblement 20 planes, parallèles et perpendiculaires à l'axe X. En outre, le disque 8 est pourvu d'une lèvre 14 qui fait saillie du côté de la face 13 aval et forme un crochet qui s'étend à partir de la périphérie du disque 8 en direction de son axe X de rotation. Le disque 8 est avantageusement réalisé de manière monobloc, 25 dans un matériau métallique, par ex. en titane ou dans un alliage d'acier à hautes résistances mécanique et thermique. Il s'agit par ex. d'un acier fortement allié en nickel et en chrome. Selon un mode particulier de réalisation, il s'agit d'Inconel (marque déposée), par ex. d'Inconel 600. 30 Chaque aube 9 comprend une plateforme 15 qui, lorsque l'aube 9 est montée sur le disque 8, s'étend de manière sensiblement tangentielle à la périphérie de celui-ci, et une pale 16 qui s'étend en saillie radiale à partir de la plateforme 15. La plateforme 15 s'étend axialement depuis un becquet 17 amont qui, lorsque l'aube 9 est 35 montée sur le disque 8, s'étend sensiblement à l'aplomb de la face 12 amont, jusqu'à un becquet 18 aval qui s'étend sensiblement à l'aplomb de la face 13 aval. 3051827 6 Comme on le voit sur la FIG.5, la plateforme 15 présente une cambrure dans un plan axial, de sorte que le becquet 18 aval est surélevé radialement par rapport au becquet 17 amont. Comme on le voit par ailleurs sur la FIG.6 et sur la FIG.8, le becquet 18 aval 5 présente un rebord 19 d'extension radiale, dont la fonction sera expliquée ci-après. Chaque aube 9 est en outre pourvue d'un pied 20 de forme complémentaire d'un alvéole 10. La solidarisation de l'aube 9 au disque 8 est réalisée par engagement axial du pied 20 dans un alvéole 10. La 10 rétention radiale du pied 20 (et donc de l'aube 9) est réalisée par les dents 11. Selon un mode de réalisation illustré sur la FIG.5, le pied 20 (comme l'alvéole 10 qui lui est complémentaire) est en forme de queue d'aronde. L'aube 9 comprend, enfin, une échasse 21 qui forme la jonction 15 entre le pied 20 et la plateforme 15 et qui, lorsque l'aube 9 est montée sur le disque 8, se trouve enchâssée entre deux dents 11 successives. Chaque aube 9 peut être réalisée dans la même matière que le disque 8 (cf. les exemples de matériaux donnés ci-dessus). Lorsque les aubes 9 sont montées les unes à côté des autres, 20 comme illustré sur la FIG.2, les plateformes 15 sont adjacentes et forment ensemble une limite interne pour le flux de gaz qui s'écoule de l'amont vers l'aval dans le compresseur 3. En fonctionnement, les effets centrifuges de la rotation du disque 8 font apparaître entre les alvéoles 10 et les pieds 20 d'aubes 9 des 25 interstices ou des cavités qui débouchent sur la face 12 amont et sur la face 13 aval du disque 8. Afin d'éviter (ou, à tout le moins, de minimiser) l'écoulement de gaz dans ces interstices ou des cavités, l'ensemble 7 rotatif comprend, en aval du disque 8, un système 22 d'étanchéité. 30 Ce système 22 d'étanchéité comprend, en premier lieu, un flasque 23 annulaire d'étanchéité. Ce flasque 23 comprend : une couronne 24 dont un bord 25 externe est agencé pour venir faire contact avec un becquet 18 aval (ou plusieurs becquets 18 35 aval adjacents, conjointement), une collerette 26 qui fait saillie, par l'intérieur, de la couronne 24 pour définir avec elle une rainure 27 par laquelle le flasque 23 est 3051827 7 emboîté sur la lèvre 14 (ou, inversement, dans laquelle la lèvre 14 est emboîtée), et un talon 28 qui prolonge radialement la couronne 24 au-delà de la collerette 26 et qui, comme illustré sur la FIG.6, présente une face 5 29 interne d'appui qui s'étend en regard de la face 13 aval du disque 8. Le flasque 23 peut être réalisé dans la même matière que le disque 8 et/ou que l'aube 9 (cf. les exemples de matériaux donnés ci-dessus). 10 Comme on le voit bien sur la FIG.4, le flasque 23 est avantageusement segmenté, c'est-à-dire qu'il est formé par assemblage de plusieurs segments 30. Le montage du flasque 23 sur la lèvre 14 se fait ainsi segment par segment, chaque segment 30 étant emboîté radialement sur la lèvre 14 jusqu'à ce que le flasque 23 soit complet. 15 En d'autres termes, et comme illustré sur la FIG.6 et sur la FIG.8, la lèvre 14 vient s'emboîter dans la rainure 27. Le système 22 d'étanchéité comprend, en deuxième lieu, un jonc 31 intercalé entre la face 13 aval du disque 8 et la face 29 interne du talon 28. Ce jonc 31 est de préférence réalisé dans un acier fortement 20 allié au nickel et au chrome, par ex. dans un inconel (marque déposée). Plus précisément, le jonc présente une portée 32 tronconique en contact avec la face 29 interne d'appui du talon 28. Le jonc 31 est en appui simple contre la face 13 aval du disque 8, c'est-à-dire que l'un et l'autre sont dépourvus de moyens mutuels de 25 fixation. A cet effet, le jonc 31 présente une face 33 amont annulaire par laquelle il est en contact plan contre la face 13 aval du disque 8. Le jonc 31 est mobile entre : o une position radialement rétractée, dans laquelle il permet au 30 flasque 23 d'occuper une position droite dans laquelle le bord 25 externe est écarté du becquet 18 aval (comme illustré en pointillés sur les FIG.6 et FIG.8), et o une position radialement déployée, dans laquelle le jonc 31 force le flasque 23 à occuper une position basculée dans 35 laquelle le bord 25 externe fait contact avec le becquet 18 aval (comme illustré en trait plein sur les FIG.6 et FIG.8). 3051827 8 Le jonc 31 occupe sa position radialement rétractée avant la première mise en service de la turbomachine 1, c'est-à-dire avant la première mise en rotation du disque 8. C'est l'effet centrifuge qui, par la rotation du disque 8, provoque la 5 dilatation radiale du jonc 31 et le place dans sa position radialement déployée. En comparaison des dimensions du disque 8 (dont le diamètre est généralement compris entre 0,30 m et 1 m, selon le modèle de la turbomachine 1 et la localisation du disque 8 dans celle-ci), la course radiale du jonc 31, comprise entre 1 mm et 5 mm, est 10 faible, mais elle est suffisante pour provoquer le basculement du flasque 23. Ce basculement peut être assimilé à une rotation autour d'une ligne située entre la base de la lèvre 14, d'une part, et l'interface entre la lèvre 14 et la collerette 26, au voisinage du fond de la rainure 27, 15 d'autre part. Comme le disque 8 et le flasque 23 présentent une symétrie de révolution autour de l'axe X, on comprend que le basculement du flasque 23 n'est pas exactement une rotation ; toutefois, considéré en section dans tout plan axial, ce basculement peut s'apparenter, en 20 approximation, à une rotation. L'ensemble 7 rotatif comprend des moyens complémentaires, répartis sur le jonc 31 et le flasque 23, de verrouillage du jonc 31 en position radialement déployée (et donc du flasque 23 en position basculée). 25 Selon un premier mode de réalisation, illustré sur les FIG.6 et FIG.7, les moyens de verrouillage se présentent sous forme d'une inclinaison de la portée 32 tronconique et de la face 29 interne d'appui du talon 28, par rapport à la face 13 aval du disque 8, d'un angle A aigu s'ouvrant en direction de l'axe X, inférieur ou égal à 45°. 30 L'angle A d'inclinaison est avantageusement compris entre 15° et 40°. Dans l'exemple illustré, l'angle A est de 25° environ. La portée 32 tronconique et la face 29 interne d'appui présentent en outre, avantageusement, une rugosité Ra comprise entre 1 pm et 2 pm, et par ex. de 1,6 pm. 35 Ainsi, en partant de la position radialement rétractée, illustrée en pointillés sur la FIG.6, la mise en rotation du disque 8 provoque une dilatation radiale du jonc 31 vers l'extérieur. A la manière d'une came, 3051827 9 la portée 32 tronconique du jonc 31 repousse la face 29 interne d'appui (et donc le talon 28) vers l'aval, ce qui fait pivoter le flasque 23 à la manière d'un palonnier vers sa position basculée, et applique ainsi le bord 25 externe contre le rebord 19 du becquet 18 aval. 5 Il en résulte une étanchéité externe, réalisée entre le rebord 19 du becquet 18 aval et le bord 25 externe du flasque 23. Une étanchéité interne est réalisée entre la portée 32 tronconique du jonc 31 et la face 29 interne d'appui du talon 28. Le verrouillage mutuel du jonc 31 et du flasque 23 est réalisé par 10 coincement de la portée 32 tronconique contre la face 29 interne d'appui du talon 28. Ce coincement est rendu possible par l'angle A d'inclinaison, suffisamment faible pour ramener la composante radiale des efforts exercés par le talon 28 sur le jonc 31 à une valeur inférieure à la force de frottement à l'interface entre le jonc 31 et le disque 8. 15 Selon un deuxième mode de réalisation, les moyens de verrouillage comprennent : - sur le talon 28 du flasque 23, une nervure 34 en saillie, - sur le jonc 31, un cran 35 qui, en position déployée, vient s'encliqueter sur la nervure 34. 20 Dans ce mode de réalisation, la portée 32 tronconique et la face 29 interne d'appui sont inclinées, par rapport à la face 13 aval du disque, d'un angle B qui demeure aigu mais qui, contrairement à l'angle A, n'est pas nécessairement inférieur ou égal à 45°. Comme on le voit bien sur les FIG.9 et FIG.10, la nervure 34 25 prévue sur le talon 28 se présente par ex. sous forme d'un décroché formé dans la face 29 interne d'appui, qui présente dès lors une portion 29A interne, contre laquelle la portée 32 tronconique est en appui en position radialement rétractée du jonc 31 (FIG.9), et une portion 29B externe contre laquelle la portée 32 tronconique est en appui en 30 position radialement déployée du jonc 31 (FIG.10). En position radialement déployée du jonc 31, la portée 32 tronconique vient s'encliqueter contre la portion 29B externe, et s'y trouve bloquée par la nervure 34 qui forme une butée anti-retour, grâce à l'élasticité du flasque 23 qui sollicite le talon 28 en direction de la 35 position droite. Grâce à ces moyens de verrouillage, le jonc 31 se trouve bloqué dès la première mise en route, et de manière permanente, dans sa 3051827 10 position radialement déployée, soit par coincement (premier mode de réalisation, FIG.6 et FIG.7), soit par blocage (deuxième mode de réalisation, FIG.8 à FIG.10). Dans ces conditions, tant la lèvre 14 du disque 8 que le flasque 23 et le jonc 31 sont quasiment insensibles à 5 l'usure et à la fatigue mécanique, puisque les cycles de mise en route et d'arrêt de la turbomachine 1 n'induisent pas de déplacement mutuel de ces pièces. Il en résulte pour ces pièces, et en particulier pour le disque 8, un allongement substantiel de la durée de vie. 10 REVENDICATIONS1. Ensemble (7) rotatif pour turbomachine (1), qui comprend un disque (8) dont une périphérie externe est pourvue d'une alternance d'alvéoles (10) et de dents (11) qui s'étendent d'une face (12) amont à une face (13) aval du disque (8), le disque (8) étant pourvu, du côté de la face (13) aval, d'une lèvre (14) en saillie formant crochet ; une pluralité d'aubes (9) qui s'étendent radialement à partir du disque (8), chaque aube (9) étant pourvue d'un pied (20) engagé axialement dans un alvéole (10) en étant retenu radialement par des dents (11) ;. en aval du disque (8), un flasque (23) annulaire d'étanchéité qui comprend une couronne (24) dont un bord (25) externe est agencé pour venir faire contact avec un becquet (18) aval d'aube (9), une collerette (26) qui fait saillie de la couronne (24) pour définir avec elle une rainure (27) dans laquelle est emboîtée la lèvre (14), et un talon (28) qui prolonge radialement la couronne (24) au-delà de la collerette (26), ce talon (28) présentant une face (29) interne d'appui en regard de la face (13) aval du disque (8) ; un jonc (31) intercalé entre la face (13) aval du disque (8) et la face (29) interne d'appui du talon (28), le jonc (31) ayant une portée (32) tronconique en contact avec la face (29) interne d'appui du talon (28) et étant mobile entre : o une position radialement rétractée, dans laquelle il permet au flasque (23) d'occuper une position droite dans laquelle le bord (25) externe est écarté du becquet (18) aval d'aube (9), et o une position radialement déployée, dans laquelle le jonc (31) force le flasque (23) à occuper une position basculée dans laquelle le bord (25) externe fait contact avec le becquet (18) aval d'aube (9), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens complémentaires, répartis sur le jonc (31) et le flasque (23), de verrouillage du jonc (31) en position radialement déployée. 3051827 12 2. Ensemble (7) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de verrouillage se présentent sous forme d'une inclinaison de la portée (32) tronconique et de la face (29) interne d'appui du talon (28), par rapport à la face (13) aval du disque, d'un angle (A) compris 5 entre 15° et40°. 3. Ensemble (7) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'inclinaison de la portée (32) tronconique et de la face (29) interne d'appui du talon (28) par rapport à la face (13) aval du disque (8) est de 25° environ. 10 4. Ensemble (7) selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que la portée (32) tronconique et la face (29) interne d'appui présentent une rugosité Ra comprise entre 1 pm et 2 pm. 5. Ensemble (7) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la portée (32) tronconique et la face (29) interne d'appui présentent une 15 rugosité Ra de 1,6 pm. 6. Ensemble (7) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de verrouillage comprennent : sur le talon (28) du flasque (23), une nervure (34) en saillie, sur le jonc (31), un cran (35) qui, en position déployée, vient 20 s'encliqueter sur la nervure (34). 7. Ensemble (7) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le jonc (31) est réalisé dans un acier fortement allié au nickel et au chrome. 8. Ensemble (7) selon la revendication 7, caractérisé en ce que 25 le jonc (31) est réalisé dans un inconel (marque déposée). 9. Compresseur (3) de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ensemble (7) rotatif selon l'une des revendications précédentes. 10. Turbomachine (1), tel qu'un turboréacteur ou un 30 turbopropulseur, équipée d'un compresseur (3) selon la revendication 9.