Brevet FR3059739A1 — publié le 20180608

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le frettage, et en particulier un organe rotatif comprenant au moins une première pièce rotorique et un arbre rotatif fretté dans cette première pièce rotorique, ainsi qu'un procédé d'assemblage d'un tel organe rotatif. Dans le domaine des machines tournantes, notamment des turbomachines comme par exemple les turbopompes de moteur-fusée, il est courant d'assembler des pièces rotoriques et des arbres rotatifs par frettage. Le frettage est un procédé d'assemblage de pièces par ajustement serré : une pièce frettée est ainsi reçue serrée dans une autre pièce de manière à solidariser l'une de l'autre. Lorsque l'organe rotatif tourne à grande vitesse, les forces centrifuges vont provoquer une expansion de la pièce rotorique tendant à réduire son interférence radiale avec l'arbre rotatif, et donc à défretter celui-ci. Cet effet peut encore être renforcé par des gradients thermiques tels qu'on peut retrouver dans une turbopompe à ergol cryogénique. En conséquence, afin de maintenir un appui radial entre l'arbre rotatif et la pièce rotorique qui soit suffisant pour assurer une raideur satisfaisante pour cet assemblage, ce genre d'applications impose une importante interférence radiale entre la pièce rotorique et l'arbre rotatif, exigeant normalement d'importantes forces axiales pour emmancher l'arbre rotatif dans la pièce rotorique. Ceci peut être très difficile à mettre en oeuvre, surtout quand l'organe rotatif présente des dimensions réduites et comprend un empilage axial de plusieurs pièces rotoriques dans lesquelles est fretté l'arbre rotatif. Objet et résumé de l'invention Le présent exposé vise à remédier à ces inconvénients en proposant un organe rotatif au frettage facilité, mais pouvant être maintenu sous des fortes contraintes. 3059739 2 Dans au moins un mode de réalisation, ce but est atteint grâce au fait que l'un de l'arbre rotatif et la première pièce rotorique présente une pluralité de surfaces radialement saillantes en contact avec l'autre de l'arbre rotatif et la première pièce rotorique, lesdites surfaces radialement 5 saillantes étant séparées les unes des autres. Grâce à ces dispositions, il est possible de réduire la surface globale de contact entre l'arbre rotatif et la première pièce rotorique, et donc les forces de friction s'opposant à l'emmanchement de l'arbre rotatif dans 10 cette première pièce métallique, même avec une interférence radiale importante pour éviter le défrettage à haute vitesse de rotation et/ou lors d'un gradient thermique important entre l'arbre rotatif et la première pièce rotorique. 15 Lesdites surfaces radialement saillantes peuvent notamment être séparées les unes des autres en direction circonférentielle pour faciliter l'emmanchement axial de l'arbre rotatif dans la première pièce rotorique. Toutefois, un écart axial entre ces surfaces radialement saillantes est également envisageable. 20 Quand les surfaces radialement saillantes sont séparées les unes des autres en direction circonférentielle, elles peuvent en particulier être au moins en nombre de trois, pour ainsi assurer la stabilité radiale de la première pièce rotorique sur l'arbre rotatif. 25 En particulier, l'arbre rotatif peut présenter ladite pluralité de surfaces radialement saillantes. Quand cette pluralité de surfaces radialement saillantes est ainsi située, l'arbre rotatif peut présenter des évidements sous lesdites surfaces radialement saillantes, afin de distribuer 30 les efforts radiaux et éviter ainsi, par exemple, qu'une surface axisymétrique de l'arbre rotatif, par exemple une surface destinée à recevoir un palier, puisse être affectée dans sa circularité à proximité de ladite pluralité de surfaces saillantes. 35 En outre, cet exposé n'est nullement limité au frettage de l'arbre rotatif dans une seule pièce rotorique. Ainsi, l'organe rotatif peut 3059739 3 comprendre un empilage axial d'une pluralité de pièces rotoriques dans lesquelles l'arbre rotatif est fretté. Pour faciliter le frettage et le maintien axial subséquent de l'arbre 5 rotatif par rapport à au moins la première pièce rotorique, l'organe rotatif peut comprendre en outre un tirant précontraint pour exercer un effort axial sur la première pièce rotorique. Le présent exposé concerne également une turbomachine 10 comprenant un tel organe rotatif, ainsi qu'un procédé d'assemblage d'un organe rotatif, dans lequel un arbre rotatif est fretté dans une première pièce rotorique, et l'un de l'arbre rotatif et la première pièce rotorique présente une pluralité de surfaces radialement saillantes entrant en contact avec l'autre de l'arbre rotatif et la première pièce rotorique lors du 15 frettage, lesdites surfaces radialement saillantes étant séparées les unes des autres. Brève description des dessins 20 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 limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une 25 turbopompe ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale plus détaillée d'un organe rotatif de la turbopompe de la figure 1, suivant un premier mode de réalisation, et comprenant des rotors de pompe et de turbine, ainsi qu'un arbre rotatif les reliant ; 30 - la figure 3A est une coupe transversale de l'organe rotatif de la figure 2 suivant le plan IIIA-IIIA ; - la figure 3B est une coupe transversale d'un organe rotatif suivant un deuxième mode de réalisation ; - la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un 35 organe rotatif suivant un troisième mode de réalisation ; 3059739 4 - la figure 5 est une coupe transversale de l'organe rotatif de la figure 4 suivant le plan V-V ; - la figure 6 est une vue schématique en coupe transversale d'un organe rotatif suivant un quatrième mode de réalisation ; et 5 - la figure 7 est une vue latérale en coupe longitudinale d'un organe rotatif suivant un cinquième mode de réalisation. Description détaillée de l'invention 10 La figure 1 illustre schématiquement une turbopompe 1, telle que pouvant être utilisée par exemple pour l'alimentation d'un moteur fusée en ergol liquide. Cette turbopompe 1 comprend un organe rotatif 2 dans un carter statique 3. L'organe rotatif 2 comprend des rotors de pompe 4 et de turbine 5, ainsi qu'un arbre rotatif 6 reliant ces rotors 4,5. 15 Sur la figure 2, on peut voir comment l'arbre rotatif 6 est emmanché d'un côté pompe dans un empilement axial de pièces rotoriques comprenant le rotor de pompe 4, une cale 7, un palier 8, et un plateau rotatif 9, et d'un côté turbine dans un autre empilement axial de pièces 20 rotoriques comprenant le rotor de turbine 5, une cale 10, un palier 11, et des entretoises 12,13. Plus spécifiquement, du côté pompe, l'arbre rotatif 6 est fretté avec un ajustement serré dans le rotor de pompe 4, le palier 8 et le plateau 9, et centré moins serré dans la cale 7. Un tirant 14, aux deux extrémités filetées, est reçu dans un orifice axial de l'arbre rotatif 6, 25 avec l'une de ses extrémités filetées engagée dans un taraudage de cet orifice axial. Ce tirant peut être dans un matériau tel que, par exemple, un acier inoxydable, offrant un allongement à la rupture relativement élevé, tandis que les pièces rotoriques peuvent être dans un matériau offrant des bonnes propriétés thermiques et mécaniques, tel que par exemple un 30 alliage de titanium. Un écrou 15 sur l'autre extrémité filetée du tirant 14, qui émerge de l'orifice axial de l'arbre rotatif 6, précontraint le tirant 14 en tension de manière à exercer un effort axial sur les pièces rotoriques empilées autour de l'arbre rotatif 6 du côté pompe. En particulier, le tirant 14 et l'écrou 15 peuvent servir au frettage de l'arbre rotatif 6, en poussant 35 axialement cet empilement de pièces rotoriques sur les surfaces de l'arbre rotatif 6 interférant radialement avec elles, ainsi qu'à maintenir un appui 3059739 5 axial sur l'empilement de pièces rotoriques après leur frettage. Toutefois, la force axiale pouvant être exercée par le tirant 14 et l'écrou 15 sur l'empilement de pièces rotoriques est naturellement limitée par le diamètre du tirant 14, entre autres. L'effort centrifuge lors de la rotation 5 de l'organe rotatif 2 aura tendance à réduire l'interférence radiale entre l'arbre rotatif 6 et les pièces rotoriques. En conséquence, pour pouvoir maintenir une interférence radiale suffisante pour maintenir le frettage même à des hautes vitesses de rotation, il peut être souhaitable d'appliquer une interférence radiale très élevée lors de l'assemblage, ce 10 qui fait augmenter la force de frettage, et donc la section transversale du tirant 14 devant transmettre cette force. Pour limiter la force axiale nécessaire pour fretter l'arbre rotatif 6 dans cet empilement de pièces rotoriques, tout en assurant une 15 interférence radiale suffisante pour éviter le défrettage intempestif de l'arbre rotatif 6, on a limité dans ce mode de réalisation la surface globale de contact entre l'arbre rotatif et les pièces rotoriques dans lesquelles l'arbre rotatif 6 est fretté. 20 Pour cela, comme illustré sur coupe transversale illustrée sur la figure 3A, le contact radial du rotor de pompe 4 contre l'arbre rotatif 6 ne s'exerce pas sur tout un périmètre de l'arbre rotatif 6, mais uniquement sur une pluralité de surfaces 16 radialement saillantes de cet arbre rotatif 6 qui sont séparées les unes des autres par des secteurs angulaires sur 25 lesquels la surface extérieure de l'arbre rotatif 6 est radialement en retrait par rapport aux surfaces 16. Comme dans le mode de réalisation illustré, les surfaces 16 radialement saillantes peuvent être en nombre de trois, distribuées 30 radialement autour de l'axe central X de l'arbre rotatif 6 à des intervalles angulaires égaux, de manière à offrir un soutien stable au rotor de pompe 4. Toutefois, d'autres nombres et une autre distribution de ces surfaces sont également envisageables. Par ailleurs, dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3A, les surfaces 16 radialement saillantes sont reliées 35 par des surfaces droites 17. Toutefois, d'autres formes plus élaborées et permettant de garder une plus grande épaisseur de matériau, comme par 3059739 6 exemple celle du deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 3B, sont également envisageables. L'organe rotatif suivant ce deuxième mode de réalisation étant analogue à celui du premier mode de réalisation dans tous ses autres aspects, les mêmes chiffres de référence que pour la 5 figure 3A y sont utilisés pour tous les éléments équivalents. Dans certains cas, la concentration d'efforts radiaux sur certaines surfaces de l'arbre rotatif peut affecter la circularité d'une section transversale de l'arbre rotatif à proximité. Ainsi, dans le premier mode de 10 réalisation illustré sur la figure 2, un risque existe que la circularité de la section transversale de l'arbre rotatif 6 à hauteur du palier 11 soit affectée par les efforts radiaux sur les surfaces 16, ce qui pourrait nuire au fonctionnement du palier 11. Pour éviter cela, dans un deuxième mode de réalisation illustré sur les figures 4 et 5, l'arbre rotatif 6 présente des 15 évidements 18 sous les surfaces 16, de manière à distribuer les efforts radiaux pour ne pas affecter la circularité de la section transversale de l'arbre rotatif 6 à hauteur du palier 11. Afin de les rendre accessibles, ces évidements 18 peuvent être reliés à la surface de l'arbre rotatif par des trous 19. L'organe rotatif suivant ce troisième mode de réalisation étant 20 analogue à celui des deux premiers modes de réalisation dans tous ses autres aspects, les mêmes chiffres de référence que pour les figures 2, 3A et 3B sont utilisés dans ces figures 4 et 5 pour tous les éléments équivalents. 25 Bien que dans tous les modes de réalisation précédents la séparation entre les surfaces radialement saillantes soit en direction circonférentielle, il est également envisageable que les surfaces radialement saillantes soient séparées en une autre direction et notamment en direction axiale, comme dans un quatrième mode de réalisation, illustré sur la figure 6. 30 L'organe rotatif suivant ce quatrième mode de réalisation étant analogue à celui des modes de réalisation précédents dans tous ses autres aspects, les mêmes chiffres de référence que pour les figures 2 à 5 sont utilisés dans cette figure 6 pour tous les éléments équivalents. 35 Finalement, bien que dans tous les modes de réalisation précédents ce soit l'arbre rotatif qui présente des surfaces radialement saillantes en 3059739 7 contact avec une pièce rotorique, il est aussi envisageable de former ces surfaces radialement saillantes, sur la pièce rotorique, en saillie vers l'intérieur, comme dans le cinquième mode de réalisation qui est illustré sur la figure 7. L'organe rotatif suivant ce cinquième mode de réalisation 5 étant analogue à celui des modes de réalisation précédents dans tous ses autres aspects, les mêmes chiffres de référence que pour les figures 2 à 6 sont utilisés dans cette figure 7 pour tous les éléments équivalents. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des 10 exemples de réalisation spécifiques, 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. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de 15 réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. REVENDICATIONS1. Organe rotatif (2) comprenant une première pièce rotorique (4) et un arbre rotatif (6) fretté dans cette première pièce rotorique (4), dans lequel l'un de l'arbre rotatif (6) et la première pièce rotorique (4) présente une pluralité de surfaces (16) radialement saillantes en contact avec l'autre de l'arbre rotatif (6) et la première pièce rotorique (4), lesdites surfaces (16) radialement saillantes étant séparées les unes des autres. 2. Organe rotatif (2) suivant la revendication 1, dans lequel lesdites surfaces (16) radialement saillantes sont séparées les unes des autres en direction circonférentielle. 3. Organe rotatif (2) suivant la revendication 2, dans lequel lesdites surfaces (16) radialement saillantes sont au moins trois, distribuées radialement autour d'un axe central (X). 4. Organe rotatif (2) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'arbre rotatif (6) présente ladite pluralité de surfaces (16) radialement saillantes. 5. Organe rotatif (2) suivant la revendication 4, dans lequel l'arbre rotatif (6) présente des évidements (18) sous lesdites surfaces (16) radialement saillantes. 6. Organe rotatif (2) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un empilage axial d'une pluralité de pièces rotoriques dans lesquelles l'arbre rotatif (6) est fretté. 7. Organe rotatif (2) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un tirant (14) précontraint pour exercer un effort axial sur la première pièce rotorique (4). 8. Turbomachine (1) comprenant un organe rotatif (2) suivant 35 l'une quelconque des revendications précédentes. 3059739 9 9. Procédé d'assemblage d'un organe rotatif (2), dans lequel un arbre rotatif (6) est fretté dans une première pièce rotorique (4), et l'un de l'arbre rotatif (6) et la première pièce rotorique (4) présente une pluralité de surfaces (16) radialement saillantes entrant en contact avec 5 l'autre de l'arbre rotatif (6) et la première pièce rotorique (4) lors du frettage, lesdites surfaces (16) radialement saillantes étant séparées les unes des autres. 10. Procédé d'assemblage suivant la revendication 8, dans lequel 10 l'arbre rotatif (6) est fretté dans un empilage axial d'une pluralité de pièces rotoriques.