Brevet FR3057905A1 — publié le 20180427

PIECE TOURNANTE DE TURBOMACHINE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Le domaine technique de l'invention est celui des pièces tournantes de turbomachine, telle que par exemple un turboréacteur ou encore un turbopropulseur d'avion. L'invention vise plus particulièrement les pièces tournantes, telles que les rotors, les tambours, mises en rotation à très haute vitesse et notamment les pièces tournantes de soufflante, d'étage de compression haute ou basse pression ou encore d'étage 10 de turbine haute ou basse pression d'une turbomachine. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION De manière générale, on considérera dans la présente demande, une direction axiale comme étant une direction parallèle à l'axe de rotation de la turbomachine, et une direction radiale comme étant une direction perpendiculaire à l'axe de 15 rotation de la turbomachine. En outre, les termes amont et aval seront définis par rapport au sens normal d'écoulement des gaz à l'intérieur de la turbomachine. Classiquement, un rotor, par exemple d'une turbine basse pression, comporte un disque de forme annulaire, une série d'aubes radiales montées dans des logements axiaux, appelés alvéoles, réalisés à la périphérie du disque. 20 De manière générale, les pièces tournantes de turbomachine sont des pièces dont la structure est fortement sollicitée lors du fonctionnement de la turbomachine. Plus particulièrement, les disques de rotor destinés à maintenir les aubes en position doivent résister aux sollicitations mécaniques résultant de l'accélération centrifuge engendrées par les masses additionnelles des aubes. Afin de répondre à cette 25 problématique, il est connu, comme illustré à la figure 1, de renforcer structurellement le disque 120 au niveau des alvéoles 121 par l'utilisation d'un raidisseur 130, en forme de « pied de poireau », s'étendant radialement vers l'axe de rotation pour renforcer cette région du disque 120 tout en tentant de minimiser la force centrifuge additionnelle générée par l'ajout de cet appendice de 30 renforcement. Par conséquent, la conception de ces pièces tournantes est 3057905 2 généralement délicate et les solutions actuelles consistent à rapprocher le plus possible la matière du raidisseur 130 de l'axe de rotation du disque. Toutefois, l'utilisation de tel raidisseur présente différents inconvénients. En effet, l'utilisation des raidisseurs en « pied de poireau » augmente considérablement la 5 masse globale de la turbomachine, complique les différents processus de conception, de fabrication et d'usinage, complexifie les montages des différentes pièces et augmente l'encombrement général dans le passage du corps compresseur ou turbine selon les applications. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION Dans ce contexte, l'invention a notamment pour but d'apporter une solution permettant de résoudre les problèmes mentionnés précédemment en proposant notamment une pièce tournante de turbomachine présentant une raideur circonférentielle satisfaisante pour résister aux sollicitations de fonctionnement d'une turbomachine tout en limitant l'accroissement de force centrifuge généré par l'ajout d'un élément raidisseur sur la pièce tournante. A cette fin, l'invention propose une pièce tournante de turbomachine comportant des moyens pour renforcer la raideur circonférentielle de ladite pièce tournante, caractérisée en ce que les moyens pour renforcer ladite raideur circonférentielle de ladite pièce tournante sont formés par un élément de renfort en matériau composite (comportant une matrice et des fibres de renfort. Ainsi, l'invention propose une solution technique de pièce tournante formée par une pièce multi-matériaux principalement en métal de manière à garantir les interfaces avec les autres éléments constitutifs d'une turbomachine avec un raidisseur ou renfort en matériau composite au niveau des sections massives de la pièce tournante de manière à améliorer la raideur circonférentielle de la pièce tournante tout en limitant le balourd généré par ce renfort par la faible densité du matériau composite. Lorsque la pièce tournante est soumise à une forte rotation, la dilation circonférentielle due à la force centrifuge est retenue par le matériau composite et 3057905 3 par la résistance des fibres de renfort sollicitées en traction dans le sens de la fibre de renfort. Outre les caractéristiques qui viennent d'être évoquées dans le paragraphe précédent, la pièce tournante selon l'invention peut présenter une ou plusieurs 5 caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - ladite pièce tournante comporte un logement ménagé à la périphérie de ladite pièce tournante, ledit élément de renfort en matériau composite étant intégré dans ledit logement ; 10 - ledit logement est un logement formé par une rainure circonférentielle entourant ladite pièce tournante ; - ladite pièce tournante comporte : - un disque annulaire comportant une pluralité d'alvéoles ménagées en périphérie du disque annulaire ; 15 - une pluralité d'aubes présentant un pied verrouillé axialement dans lesdites alvéoles ; lesdites alvéoles formant ledit logement dans lequel l'élément de renfort en matériau composite est intégré, - ladite pièce tournante comporte : 20 - un disque annulaire comportant une pluralité d'alvéoles ménagées en périphérie du disque annulaire ; - une pluralité d'aubes présentant un pied verrouillé axialement dans lesdites alvéoles ; lesdites alvéoles présentant un fond comportant une rainure axiale formant 25 ledit logement dans lequel l'élément de renfort en matériau composite est intégré ; - l'élément de renfort en matériau composite est formé par l'association de fibres de renfort dans au moins un matériau pris parmi le groupe comprenant carbone, céramique, verre, aramide et d'une matrice à base d'un matériau pris parmi le groupe comprenant céramique, thermodurcissable, thermoplastique ; - ladite pièce tournante est une pièce tournante de turbine ou une pièce tournante de compresseur. 3057905 4 L'invention a également pour objet une turbomachine comportant une pièce tournante selon l'invention. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce tournante selon l'invention comportant : 5 - une étape d'usinage d'un logement à la périphérie de la pièce tournante ; - une étape de bobinage de fibres de renfort pré-imprégnées d'une matrice dans ledit logement ; - une étape de polymérisation de la matrice. L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la 10 description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure 1, déjà décrite, est une vue partielle d'une pièce tournante de turbomachine comportant un raidisseur pour augmenter la raideur circonférentielle 15 selon l'état de la technique. La figure 2 est une vue partielle en coupe d'un premier exemple de réalisation d'une pièce tournante de turbomachine selon l'invention. La figure 3 est une vue partielle en perspective du premier exemple de réalisation de la pièce tournante de turbomachine illustrée à la figure 2. 20 La figure 4 est une vue partielle en coupe d'un second exemple de réalisation d'une pièce tournante de turbomachine selon l'invention. La figure 5 est une vue partielle en perspective d'un troisième exemple de réalisation d'une pièce tournante de turbomachine selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION DE 25 L'INVENTION Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. Pour rappel, on considérera dans la présente demande, une direction axiale comme étant une direction parallèle à l'axe de rotation de la turbomachine, et une direction 3057905 5 radiale comme étant une direction perpendiculaire à l'axe de rotation de la turbomachine. En outre, les termes amont et aval seront définis par rapport au sens normal d'écoulement des gaz à l'intérieur de la turbomachine. La figure 2 est une vue illustrant en coupe une portion d'une pièce tournante 200, 5 telle qu'un rotor de turbomachine selon l'invention. La figure 3 illustre la même pièce tournante 200 selon une vue en perspective et en éclatée. La pièce tournante 200 comporte un disque annulaire 220 représenté en partie, comportant au niveau de sa périphérie externe une pluralité d'alvéoles 221 (une unique alvéole étant représentée à la figure 2 et à la figure 3) disposées de façon 10 circonférentielles et destinées à recevoir par montage axial des pieds 211 d'aube 210. Les alvéoles 221 peuvent présenter une forme de queue d'aronde ou encore toutes autres formes usuellement utilisées pour la fixation des aubes 210 sur le disque 220. Le disque annulaire 220 comporte également un élément de renfort 230 permettant 15 d'augmenter la raideur circonférentielle du disque annulaire 220 afin de résister aux sollicitations mécaniques résultant de l'accélération centrifuge lors du fonctionnement de la turbomachine. L'élément de renfort 230 est un matériau composite mise en place dans un logement ménagé au niveau des sections massives du disque annulaire 220. Dans 20 le cas d'un disque de rotor, les sections massives sont généralisées au niveau des alvéoles supportant les aubes 210. Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 2, le logement, destiné à recevoir l'élément de renfort en matériau composite 230, est constitué par l'alvéole 220 dans la mesure où celle-ci est assez volumineuse pour recevoir à la fois le pied d'aube 25 211 et l'élément de renfort en matériau composite 230 sans que les deux éléments soient en contact. Dans ce cas, il est alors possible d'intégrer directement l'élément de renfort en matériau composite 230 dans le fond de l'alvéole 221. Dans le cas contraire, une rainure supplémentaire peut être ménagée dans le fond de l'alvéole 221 de manière à pouvoir former un logement pour la réception et le 30 positionnement de l'élément de renfort en matériau composite 230. 3057905 6 L'élément de renfort en matériau composite 230 est formé par l'association de fibres de renfort, par exemple en carbone, en céramique, en verre, en aramide ou par une combinaison de fibres de différentes matières, et d'une matrice à base céramique, ou à base de matériau thermodurcissable (résine époxy par exemple) ou à base de 5 matériau thermoplastique. Dans le premier exemple de réalisation illustré aux figures 2 et 3, l'alvéole 221 est ménagée selon une direction axiale. Les fibres de renfort du matériau composite sont avantageusement orientées dans la même direction axiale du logement formé par l'alvéole 220, i.e que le sens longitudinal des fibres de renfort est sensiblement 10 selon une direction axiale. Le positionnement de l'élément de renfort en matériau composite 230 est réalisé par un procédé classique d'enroulement filamentaire qui consiste à bobiner les fibres de renfort déjà imprégnées de matrice, la matrice est ensuite polymérisée en étuve ou en autoclave pour former le matériau composite. Lors du procédé de 15 bobinage, il est également possible de régler la tension des fibres de renfort afin d'optimiser la raideur circonférentielle souhaitée au niveau du disque 220. La figure 4 illustre un deuxième exemple de réalisation d'une pièce tournante 300 de turbomachine selon l'invention. Dans ce deuxième exemple de réalisation, la pièce tournante 300 comporte un disque annulaire 320 présentant des éléments de 20 renfort en matériau composite 330 situés de part et d'autre des aubes 310 mais à proximité de celles-ci. Pour cela, le disque annulaire 320 de la pièce tournante 300 présente deux logements 321 ménagés de part et d'autre d'une aube 310 au plus proche de la zone de section massive du disque 320. Ces logements 321 sont par exemple réalisés par usinage d'une rainure circonférentielle présentant une 25 profondeur et une largeur permettant le positionnement et le guidage des fibres de renfort lors de l'opération de bobinage. Les deux éléments de renfort en matériau composite 330 de part et d'autre d'une aube 310 permettent ainsi d'augmenter la raideur circonférentielle de la pièce tournante 300 et notamment du disque annulaire 320 au niveau des régions de 30 positionnement des aubes 310 lorsqu'il n'est pas possible de renforcer le disque au niveau de la région recevant le pied d'aube comme décrit aux figures précédentes. 3057905 7 Dans ce deuxième exemple de réalisation, les fibres de renfort sont également orientées selon une direction axiale, de manière identique au sens de rainurage du disque annulaire 320. Selon un troisième exemple de réalisation illustré à la figure 5, la pièce tournante 5 400 comporte un disque annulaire 420 (représentée en partie) comportant au niveau de sa périphérie externe une pluralité d'alvéoles 421 (une unique alvéole étant représentée à la figure 5) pour permettre le montage axial des pieds 411 d'aube 410. Dans ce troisième exemple de réalisation, le disque annulaire 420 présente un 10 logement circonférentiel ménagé en périphérie du disque annulaire 420. Ce logement circonférentiel 422 est adapté pour recevoir un élément de renfort (non visible) dont les fibres de renfort sont bobinées de manière circonférentielle à l'intérieur du logement de manière à former un matériau composite en forme d'anneau renforçant de manière circonférentielle le disque annulaire 420. 15 La pièce tournante 200, 300, 400 décrit dans les différents exemples de réalisation est principalement en métal de manière à garantir les interfaces entre les autres éléments d'une turbomachine. Le logement 221, 321, 422 forme avantageusement un sillon qui présente un fond avantageusement de forme concave et dispose de bords orthogonaux par rapport 20 à la direction axiale pour permettre le bon guidage des fibres de renfort dans le logement 221, 321 ? 422 lors du bobinage. Ainsi, le raidisseur circonférentiel en matériau composite selon l'invention présente une masse faible ce qui génère sur la pièce finale un balourd très négligeable en comparaison du balourd généré par la partie métallique de la pièce tournante. Ainsi 25 l'opération d'équilibrage de la pièce tournante complète s'en trouve facilitée et est réalisée classiquement par usinage de cordons. Dans un agencement particulier de l'invention, lorsque la pièce tournante est soumise à un régime de rotation important, la sollicitation en traction des fibres du matériau composite dans la direction d'extension des fibres est apte à supporter la 30 déformation radiale de la pièce due à la force centrifuge. 3057905 8 L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce tournante de turbomachine présentant un raidisseur circonférentiel selon l'invention. Le procédé de fabrication selon l'invention comporte notamment : - une étape d'usinage d'un logement à la périphérie de la pièce tournante ; 5 - une étape de bobinage de fibres de renfort pré-imprégnées d'une matrice dans ledit logement au moyen d'un procédé d'enroulement filamentaire ; - une étape de polymérisation de la matrice de manière à former le matériau composite. Grâce à l'invention, le procédé de fabrication globale de la pièce tournante est 10 simplifié car il permet notamment de réaliser plusieurs tronçons de compresseur/turbine en une seule et unique pièce sans avoir recours à des liaisons brides ou des soudures par friction inertielle entre chaque tronçon. L'invention est particulièrement applicable aux pièces tournantes d'étage de turbine haute ou basse pression d'une turbomachine, aux pièces tournantes de 15 compresseur haute et basse pression ainsi qu'à d'autres ensembles rotatifs de la turbomachine, comme par exemple la soufflante.