Brevet FR3108360A1 — publié le 20210924

L’invention concerne un procédé d’équilibrage d’une pièce tournante (3) de turbomachine pour aéronef, le procédé comprenant les étapes consistant à : a) installer la pièce tournante (3) , qui est équipée d’un cordon d’équilibrage (4) usinable ayant une épaisseur initiale, sur un dispositif d’équilibrage (10) ; l’épaisseur étant mesurée en direction radiale par rapport à un axe (A) de rotation de la pièce tournante (3) ; b) mettre en rotation la pièce tournante (3) suivant ledit axe de rotation (A) ; c) équilibrer la pièce tournante (3) afin de réduire ou supprimer un balourd (33) de la pièce tournante (3), et pendant cette étape c), le procédé comprend une première sous-étape c 1 ) de dépôt d’un matériau d’apport (5) sur au moins une zone (45) du cordon d’équilibrage (4). Figure pour l’abrégé : Figure 3b PROCEDE ET DISPOSITIF D’EQUILIBRAGE D’UNE PIECE TOURNANTE POUR UNE TURBOMACHINE D’AERONEF Domaine de l’invention La présente invention concerne le domaine des turbomachines d’aéronef. Elle vise en particulier un procédé et un dispositif d’équilibrage d’une pièce tournante pour une turbomachine d’aéronef, cette pièce tournante étant par exemple un rotor de turbomachine. Arrière-plan technique Une turbomachine pour aéronef comprend de manière générale une ou plusieurs pièces ou modules tournants connus sous le terme de rotors qui tournent autour d’un axe de rotation. En fonctionnement, ces pièces peuvent tourner à des vitesses extrêmement élevées (par exemple de l’ordre de plusieurs milliers de tours par minute). Il est donc fortement recommandé d’assurer un équilibrage précis de ces pièces tournantes. Malgré tout le soin et la précision apportés lors de la conception et la fabrication des pièces tournantes de la turbomachine, certaines d’entre elles comportent des balourds qui peuvent pénaliser le fonctionnement de la turbomachine. Un balourd est une masse qui est répartie de manière non uniforme autour de l’axe de la pièce tournante. Une pièce tournante comprenant un balourd engendre des vibrations, des efforts sur la turbomachine et ainsi une usure prématurée des composants de la turbomachine. Parmi les différentes techniques utilisées dans ce domaine, il est connu d’utiliser des cordons d’équilibrage pour réaliser un équilibrage précis des pièces tournantes. De manière générale, l’opérateur installe la pièce tournante sur un dispositif d’équilibrage qui l’entraîne en rotation, puis lit le résultat du contrôle sur le dispositif d’équilibrage ou sur un autre poste. S’il y a un balourd et que celui-ci excède les spécifications apportées par le concepteur, l’opérateur doit apporter une correction telle qu’un retrait de matière (usinage, etc,..) ou un ajout de matière (masselottes ou autres). La pièce corrigée est à nouveau contrôlée sur le dispositif d’équilibrage afin de vérifier que le balourd a été corrigé. Ces étapes sont réitérées jusqu’à ce que la pièce soit bien équilibrée. Ces itérations sont chronophages et ont donc un certain coût. Par ailleurs, la correction apportée sur le cordon d’équilibrage de la pièce peut ne pas suffire pour équilibrer de façon optimale le balourd, notamment lorsque le cordon d’équilibrage initial avant correction ou restante après correction, est insuffisant pour permettre de rectifier et rétablir l’équilibre de la pièce tournante. Ainsi, dans ce cas, le cordon d’équilibrage de la pièce ne permet pas de compenser le balourd de la pièce et les spécifications d’équilibrage requises ne sont donc pas atteintes. La pièce est alors directement mise au rebut. Dans ce contexte, il est intéressant de proposer une solution permettant de pallier au moins en partie les inconvénients de l’art antérieur, notamment en optimisant la capacité de récupération d’équilibrage d’une pièce tournante pour une turbomachine d’aéronef par un procédé fiable et compatible de l’encombrement disponible et des spécifications de maintenance et de réparation. La présente invention propose ainsi un procédé d’équilibrage d’une pièce tournante de turbomachine pour aéronef, le procédé comprenant les étapes consistant à : a) installer la pièce tournante, qui est équipée d’un cordon d’équilibrage usinable ayant une épaisseur initiale, sur un dispositif d’équilibrage ; l’épaisseur étant mesurée en direction radiale par rapport à un axe de rotation de la pièce tournante ; b) mettre en rotation la pièce tournante suivant ledit axe de rotation, c) équilibrer la pièce tournante afin de réduire ou supprimer un balourd de la pièce tournante, caractérisé en ce que, pendant l’étape c), le procédé comprend une première sous-étape c 1 ) de dépôt d’un matériau d’apport sur au moins une zone du cordon d’équilibrage. Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, la sous-étape c 1 ) de dépôt permet de rajouter autant de matière nécessaire pour pouvoir équilibrer précisément la pièce tournante en fonction du balourd à corriger. Par exemple, cette première sous-étape peut être réalisée par projection thermique ou tout autre procédé de fabrication additive. Ainsi, l’ajout de matière permet de renforcer la capacité d’équilibrage du cordon d’équilibrage, avant d’apporter une correction sur le cordon. Après une correction apportée sur le cordon, l’ajout de matière permet en outre de restaurer la capacité initiale d’équilibrage (à savoir son épaisseur initiale qui est uniforme sur toute la circonférence du cordon). Par ailleurs, la présente invention présente l’avantage de proposer un procédé d’équilibrage simple, fiable en réalisation, et peu pénalisante en termes de coûts et d’encombrement dans la turbomachine. Selon une particularité de l’invention, pendant la première sous-étape c 1 ), le matériau d’apport est déposé de manière ponctuelle et directement sur la zone du cordon d’équilibrage. Cette configuration permet de compenser et équilibrer directement le balourd de la pièce tournante par un dépôt de matière d’apport localisé au niveau du balourd. Ainsi, le ou les étapes supplémentaires d’usinage pour équilibrer la pièce tournante peuvent être supprimées. Le procédé d’équilibrage comprend également une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - le procédé comprend, pendant l’étape c), une seconde sous-étape c 2 ) d’usinage du matériau d’apport déposé et/ou de la zone du cordon d’équilibrage ; - le matériau d’apport a une épaisseur d’équilibrage correspondant à au moins l’épaisseur initiale, cette épaisseur étant également mesurée en direction radiale par rapport à l’axe de rotation de la pièce tournante ; - la pièce tournante est fabriquée préalablement avec le cordon d’équilibrage en une seule pièce ; - ledit matériau d’apport est un métal, un alliage ou une céramique ; - le cordon d’équilibrage est disposé sur une surface radialement externe de la pièce tournante. L’invention concerne également un dispositif d’équilibrage configuré pour la mise en œuvre du procédé d’équilibrage selon l’invention. Ledit dispositif comprenant : - un châssis apte à recevoir la pièce tournante qui est équipée d’un cordon d’équilibrage usinable, et - un élément de mise en rotation de la pièce tournante autour de l’axe de rotation. Le dispositif comprend également au moins un élément de dépôt monté sur le châssis de manière mobile suivant un axe radial à l’axe de rotation, ledit élément de dépôt étant configuré pour déposer ledit matériau d’apport sur ladite zone du cordon d’équilibrage. Le dispositif d’équilibrage peut comprendre en outre un élément d’usinage monté sur le châssis de façon amovible et mobile suivant un axe radial à l’axe de rotation de la pièce tournante, ledit élément d’usinage étant configuré pour usiner le matériau d’apport et/ou la zone du cordon d’équilibrage. L’invention concerne en outre une pièce tournante pour une turbomachine d’aéronef ayant subi un équilibrage selon le procédé tel que susmentionné. L’invention concerne enfin une turbomachine d’aéronef comprenant au moins une pièce tournante équilibrée selon le procédé d’équilibrage tel que susmentionné. Cette pièce tournante comprend un matériau d’apport sur au moins une zone d’un cordon d’équilibrage qui entoure ladite pièce. La turbomachine peut être un turbopropulseur ou un turboréacteur. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels : La figure 1 est une demi vue schématique partielle en coupe axiale d’une turbine basse pression d’une turbomachine d’aéronef. La figure 2 est une vue schématique et en coupe axiale d’un dispositif d’équilibrage sur lequel est montée une pièce tournante de turbomachine d’aéronef qui est équipée d’un cordon d’équilibrage et d’un matière d’apport selon l’invention. La figure 3a représente de manière schématique et en coupe transversale le dispositif d’équilibrage et la pièce tournante de la figure 2, avant une étape de dépôt de la matière d’apport d’un procédé d’équilibrage selon un premier mode de réalisation. La figure 3b représente de manière schématique et en coupe transversale le dispositif d’équilibrage et la pièce tournante de la figure 2, après l’étape de dépôt de la matière d’apport du procédé selon le premier mode de réalisation. La figure 4a représente de manière schématique et en coupe transversale le dispositif d’équilibrage et la pièce tournante de la figure 2, avant une étape de dépôt de la matière d’apport d’un procédé d’équilibrage selon un second mode de réalisation. La figure 4b représente de manière schématique et en coupe transversale le dispositif d’équilibrage et la pièce tournante de la figure 2, après l’étape de dépôt de la matière d’apport du procédé selon le second mode de réalisation. La figure 4c représente de manière schématique et en coupe transversale le dispositif d’équilibrage et la pièce tournante de la figure 2, après une étape d’usinage du procédé selon le second mode de réalisation. Description détaillée de l’invention D’une manière générale, une turbomachine d’aéronef comprend une ou plusieurs pièces tournantes ou rotors tels que des arbres de turbomachine (un arbre haute pression, un arbre basse pression ou un arbre de turbine libre), des carters de turbomachine, des disques de turbomachine, des viroles, etc. La pièce tournante est réalisée d’une seule pièce (ou venue de matière). Alternativement, la pièce tournante est formée de plusieurs éléments qui ont été assemblés, par exemple un disque avec au moins un étage d’aubes qui s’étendent radialement depuis la périphérie du disque. Avantageusement, mais non limitativement, la pièce tournante tourne autour d’un axe longitudinal A (pouvant être coaxial avec un axe du moteur X de la turbomachine en situation d’installation dans la turbomachine). La pièce tournante est réalisée dans un matériau métallique. Sur la figure 1 est illustrée partiellement de façon non limitative, une turbine basse pression 1 comprenant plusieurs disques de rotor 2 tournant autour de l’axe X de la turbomachine de façon à entraîner en rotation une pièce tournante 3 (ou arbre) du rotor 2 de la turbine basse pression. La pièce tournante 3 comprend un cordon annulaire d’équilibrage 4 ayant une épaisseur initiale E in . L’épaisseur E in est mesurée en direction radiale par rapport à l’axe A de la pièce 3. Le cordon 4 est disposé sur une surface non-fonctionnelle 30 de la pièce 3 qui sert uniquement à son équilibrage. Cette surface non fonctionnelle 30 peut être une surface radialement externe d’une pièce tournante pleine ou une surface radialement interne d’une pièce tournante creuse. Sur l’exemple, le cordon 4 est disposé sur la surface radialement externe de la pièce 3. Selon une autre variante (non illustrée), la pièce 3 peut être creuse et le cordon 4 peut être disposé également sur la surface radialement interne de la pièce 3. Les surfaces radialement interne et externe de la pièce 3 sont opposées suivant un axe radial R perpendiculaire à l’axe A. Les dimensions du cordon 4 sont dépendantes du balourd maximal de correction nécessaire, et donc de la qualité de la fabrication de la pièce tournante. Par ailleurs, l’agencement du cordon 4 sur la pièce 3 dépend de l’encombrement de l’environnement où est montée la pièce dans la turbomachine. Ainsi, si la pièce tournante est destinée à être montée dans une zone très encombrée de la turbomachine, le cordon d’équilibrage est prévu à l’intérieur de la pièce tournante et ainsi sur la surface radialement interne. Le cordon 4 peut également être disposé autour d’autres pièces tournantes 2 de la turbomachine, telles que celles citées ci-dessus. Le cordon 4 est également réalisée d’un seul tenant avec la pièce 3. La figure 2 représente la pièce 3, qui est destinée à équiper la turbomachine, montée sur un dispositif 10 d’équilibrage en vue de l’équilibrer. Par les termes « équilibrer » ou « équilibrage », nous entendons dans la présente invention le fait de compenser des balourds existant sur des pièces de turbomachine par ajout ou retrait de matière. Le dispositif 10 d’équilibrage comprend un châssis ou bâti 11 destiné à recevoir la pièce 3. Cette dernière est destinée à tourner autour de son axe A et par rapport au châssis (qui est alors fixe). La pièce 3 est ici est un arbre plein qui s’étend suivant l’axe A entre une première extrémité 31 et une deuxième extrémité 32. La première extrémité 31 est montée sur un élément de mise en rotation 12 du dispositif 10. L’élément de mise en rotation 12 dans le présent exemple est un moteur qui est configuré de manière à entraîner en rotation la pièce 3 autour de son axe A à une vitesse prédéterminée. Le moteur peut être un moteur thermique ou un moteur électrique. Le moteur est avantageusement fixé au châssis 11. De manière générale, le dispositif 10 comprend au moins un élément d’équilibrage qui est monté sur le châssis 11 de manière à corriger le balourd de la pièce 3. Cet élément d’équilibrage est monté sur le châssis 11 de manière à être orienté vers la surface non fonctionnelle 30 de la pièce 3. L’élément d’équilibrage est avantageusement monté mobile suivant un axe R radial perpendiculaire à l’axe A de rotation de la pièce 3. Cependant, l’élément d’équilibrage est immobilisé en rotation par rapport au châssis 11. Il s’agit dans le présent exemple d’une translation suivant l’axe radial R. Selon l’invention, l’élément d’équilibrage comprend au moins un élément de dépôt 13 et un élément d’usinage 14. L’élément de dépôt 13 dans le présent exemple est une tête de projection configurée pour déposer un matériau d’apport 5 sur une zone 45 du cordon 4. Sur l’exemple, la zone 45 est coaxiale à la surface non-fonctionnelle 30 de la pièce 3. Sur la figure 2, le matériau d’apport 5 est disposé de manière non limitative autour du cordon 4. Le matériau d’apport 5 comprend une épaisseur d’équilibrage E eq qui est sensiblement égale ou supérieure à l’épaisseur initiale E in du cordon 4. Le matériau d’apport 5 est, de préférence, réalisée de la même matière que le cordon d’équilibrage 4 de la pièce tournante 3. Le matériau d’apport 5 peut être réalisée en métal, en alliage ou en céramique. L’élément d’usinage 14 dans l’exemple est une meule abrasive configurée de manière à usiner le matériau d’apport 5 et/ou le cordon 4 de la pièce 3 en cas de balourd pour réaliser une portion usinée 43 qui compense le balourd et équilibre la pièce 3. Nous allons maintenant décrire le fonctionnement du procédé d’équilibrage de la pièce tournante 3 en relation avec les figures 3a, 3b et 4a à 4c. Le procédé comprend les étapes suivante : a) installer la pièce tournante 3, qui est équipée du cordon d’équilibrage 4 usinable et d’épaisseur initiale E in , sur le dispositif 10 d’équilibrage (décrit précédemment) ; b) mettre en rotation la pièce tournante 3 suivant l’axe A de rotation, c) équilibrer la pièce tournante 3 afin de réduire ou supprimer le balourd 33 de la pièce tournante 3. L’étape c) du procédé comprend une première sous-étape c 1 ) de dépôt du matériau d’apport 5 sur au moins la zone 45 du cordon d’équilibrage 4. L’avantage de ce procédé est de projeter le matériau d’apport 5 sur la zone 45 du cordon 4 pour compenser le balourd 33 et équilibrer précisément la pièce 3. Les figures 3a et 3b illustrent le procédé d’équilibrage de la pièce 3 suivant un premier mode de réalisation. Dans ce premier mode, la pièce 3 comprend un balourd 33 (représenté schématiquement) qui est situé vers l’intérieur de la pièce 3 et le cordon 4 se trouve, comme nous l’avons vu précédemment, sur une portion de la surface non-fonctionnelle 30 qui est radialement externe à la pièce 3. Le balourd 33 est situé à midi sur la surface 30 de la pièce 3 (par analogie au cadran d’une horloge). Sur les figures 3a et 3b, l’axe A de la pièce 3 est dans une position neutre (c’est-à-dire que l’axe A est coaxial avec l’axe du moteur du dispositif 10). Puis, la pièce 3 est mise en rotation par le moteur par rapport à l’élément de dépôt 13 qui s’étend radialement à l’extérieur de la pièce 3. On remarque que l’épaisseur E in du cordon 4 est insuffisante pour compenser le balourd 33 de la pièce 3 qui présente une épaisseur supérieure à l’épaisseur E in . Sur la figure 3b, l’élément de dépôt 13 du dispositif 10 projette le matériau d’apport 5 pendant la première sous-étape c 1 ), directement sur une zone 45 du cordon 4 pour compenser le balourd 33 et équilibrer la pièce 3. Cette zone 45 correspond sensiblement à l’endroit du balourd 33 de la pièce 3. Le dépôt du matériau d’apport 5 correspond sensiblement à l’épaisseur et la masse nécessaire pour compenser le balourd 33. Les figures 4a à 4c illustrent le procédé d’équilibrage de la pièce 3 suivant un second mode de réalisation. Dans ce second mode, la pièce 3 comprend un balourd 33 qui est situé vers l’intérieur de la pièce 3 et le cordon 4 se trouve sur une portion de la surface non-fonctionnelle 30 qui est radialement externe à la pièce 3. Le balourd 33 est situé à midi sur la surface 30 de la pièce 3. Sur les figures 4a à 4c, l’axe A de la pièce 3 est également dans une position neutre. Puis, la pièce 3 est mise en rotation par le moteur par rapport à l’élément de dépôt 13 qui s’étend radialement à l’extérieur de la pièce 3. On remarque que l’épaisseur E in du cordon 4 est réduite sur une portion 45’ de la zone 45. Ce cordon 4 est également insuffisant pour compenser le balourd 33 de la pièce 3. Sur la figure 4b, l’élément de dépôt 13 projette le matériau d’apport 5 pendant la première sous-étape c 1 ), autour du cordon 4 de façon à couvrir la portion réduite 45’. L’épaisseur d’équilibrage E eq de le matériau d’apport 5 est ici supérieure à l’épaisseur E in du cordon 4. L’épaisseur E eq est ainsi uniformisée sur toute la circonférence du cordon 4. Afin d’équilibrer la pièce 3 après cette première sous-étape, le procédé comprend une seconde sous-étape c 2 ) d’usinage d’au moins une portion usinée 43 sur le matériau d’apport 5 déposé et/ou ladite zone du cordon 4. Sur la figure 4c, l’élément d’usinage 14 enlève du matériau d’apport 5 jusqu’à la portion d’usinage 43 qui correspond sensiblement à l’endroit du balourd 33 de la pièce tournante 3. Cette portion usinée 43 correspond donc sensiblement à l’épaisseur et la masse nécessaire pour compenser le balourd 33. L’invention concerne en outre une pièce tournante 3 de turbomachine d’aéronef, ayant subi un équilibrage avec le procédé d’équilibrage de la présente invention. Procédé d’équilibrage d’une pièce tournante (3) de turbomachine pour aéronef, le procédé comprenant les étapes consistant à : a) installer la pièce tournante (3) , qui est équipée d’un cordon d’équilibrage (4) usinable ayant une épaisseur initiale (E in ), sur un dispositif d’équilibrage (10) ; l’épaisseur (E in ) étant mesurée en direction radiale par rapport à un axe (A) de rotation de la pièce tournante (3) ; b) mettre en rotation la pièce tournante (3) suivant ledit axe de rotation (A), c) équilibrer la pièce tournante (3) afin de réduire ou supprimer un balourd (33) de la pièce tournante (3), caractérisé en ce que, pendant l’étape c), le procédé comprend une première sous-étape c 1 ) de dépôt d’un matériau d’apport (5) sur au moins une zone (45) du cordon d’équilibrage (4). Procédé d’équilibrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pendant la première sous-étape c 1 ), le matériau d’apport (5) est déposé de manière ponctuelle et directement sur ladite zone (45) du cordon d’équilibrage (3). Procédé d’équilibrage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comprend, pendant l’étape c), une seconde sous-étape c 2 ) d’usinage du matériau d’apport (5) déposé et/ou de ladite zone (45) du cordon d’équilibrage (4). Procédé d’équilibrage selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau d’apport (5) a une épaisseur d’équilibrage (E eq ) correspondant à au moins l’épaisseur initiale (E in ), cette épaisseur (E eq ) étant également mesurée en direction radiale par rapport à l’axe de rotation (A) de la pièce tournante (3). Procédé d’équilibrage selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pièce tournante (3) est fabriquée préalablement avec le cordon d’équilibrage (4) en une seule pièce. Procédé d’équilibrage selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cordon d’équilibrage (4) est disposé sur une surface non fonctionnelle (30) de la pièce tournante (3). Procédé d’équilibrage selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit matériau d’apport (5) est un métal, un alliage ou une céramique. Dispositif d’équilibrage (10) configuré pour la mise en œuvre du procédé d’équilibrage selon l’une des revendications 1 à 7, ledit dispositif (10) comprenant : - un châssis (11) apte à recevoir la pièce tournante (3) qui est équipée d’un cordon d’équilibrage (4) usinable, - un élément de mise en rotation (12) de la pièce tournante (3) autour de l’axe (A) de rotation, caractérisé en ce que le dispositif (10) comprend au moins un élément de dépôt (13) monté sur le châssis (11) de manière mobile suivant un axe (R) radial à l’axe (A) de rotation, ledit élément de dépôt (13) étant configuré pour déposer ledit matériau d’apport (5) sur ladite zone (45) du cordon d’équilibrage (4). Dispositif d’équilibrage selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un élément d’usinage (14) monté sur le châssis (11) de façon amovible et mobile suivant un axe (R) radiale à l’axe (A), ledit élément d’usinage (14) étant configuré pour usiner le matériau d’apport (5) et/ou ladite zone (45) du cordon d’équilibrage (4). Pièce tournante (3) de turbomachine ayant subi un équilibrage avec un procédé d’équilibrage selon l’une quelconques des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu’elle comprend un matériau d’apport (5) sur au moins une zone (45) d’un cordon d’équilibrage (4) qui entoure ladite pièce (3).