Brevet FR3152879A1 — publié le 20250314

La présente invention concerne un banc d’essai ( 0 ) d’éclatement d’un composant ( 1 ) de turbomachine, comprenant : - un arbre ( 2 ) étant configuré pour entrainer en rotation le composant ( 1 ) ; - une enceinte de confinement ( 3 ) annulaire disposée coaxialement à l’arbre ( 2 ), - un élément de rétention ( 4 ) annulaire disposé autour de l’enceinte de confinement ( 3 ) et de manière coaxiale à l’arbre ( 2 ), l’élément de rétention ( 4 ) étant fixe ; le banc d’essai ( 0 ) comprenant un organe de glissement ( 6 ) entre l’enceinte de confinement ( 3 ) et l’élément de rétention ( 4 ) configuré de sorte à favoriser une rotation de l’enceinte de confinement ( 3 ) par rapport à l’élément de rétention ( 4 ) lorsque l’enceinte de confinement ( 3 ) est soumise à un couple engendré par un impact d’un fragment consécutif à un éclatement du composant ( 1 ) en rotation dans l’enceinte de confinement ( 3 ) au cours d’un essai. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Enceinte de confinement tournante pour banc d’essai La présente demande concerne le contrôle de la conformité des pièces mécaniques tournantes notamment les pièces tournantes constituant une turbomachine. Elle concerne plus spécifiquement un banc d’essai pour un tel contrôle. ETAT DE LA TECHNIQUE Le contrôle de la conformité des pièces mécaniques à des spécifications impose l’utilisation de bancs d’essai permettant de soumettre les pièces à des contraintes mécaniques et physiques généralement bien supérieures à celles des conditions normales de fonctionnement. Par exemple, dans le domaine aéronautique, la conception des turbomachines impose une prévision de plus en plus précise de la durée de vie des pièces qui les composent. La tenue en survitesse des pièces tournantes des turbines, comme les disques, est une étape importante de la conception de nouveaux moteurs. D’autre part, la réglementation impose la démonstration lors d’essais sur banc d’essai que les pièces en question n’éclatent pas sous l’effet du chargement centrifuge, et cela pour des vitesses généralement supérieures d’au moins 20% aux conditions normales de fonctionnement. Ces essais visent à évaluer une vitesse d’éclatement des disques en rotation, en les soumettant à une rotation de vitesse croissante mais aussi à des températures élevées, similaires à celles des conditions réelles de fonctionnement, jusqu’à obtenir l’éclatement du disque. L’analyse étant complétée par une étude des fragments de disque, il est donc nécessaire de concevoir un banc d’essai résistant à la projection de fragments métalliques lourds à des vitesses importantes, tout en préservant les faciès de rupture de ces fragments. Les bancs d’essai actuels pour ce type d’application sont ainsi dotés d’une enceinte de confinement amovible, constituée d’une matière capable de recevoir les fragments projetés à haute vitesse sans les endommager excessivement. Les métaux ayant une faible dureté sont donc privilégiés pour permettre l’étude de ces fragments. Cependant, ces contraintes structurelles et matérielles induisent un risque pour la sécurité du personnel et des installations aux alentours du banc d’essai. En effet, la nature nécessairement amovible d’une telle enceinte de confinement impose de chercher à réduire sa masse, alors que les avancées dans la conception des pièces tournantes imposent des vitesses d’essai de plus en plus élevées, ce qui impose de renforcer l’enceinte de confinement, notamment en augmentant son diamètre. A ces exigences contradictoires s’ajoutent les impératif d’intégration de l’enceinte dans les bancs d’essai existants. Un but de la présente demande est de remédier aux inconvénients précités. Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, un banc d’essai d’éclatement d’un composant de turbomachine, comprenant : - un arbre s’étendant selon un axe, l’arbre étant mobile en rotation autour de l’axe ; l’arbre étant configuré pour entrainer en rotation le composant lorsque le composant est solidarisé en rotation à l’arbre ; - une enceinte de confinement annulaire disposée coaxialement à l’arbre, - un élément de rétention annulaire disposé autour de l’enceinte de confinement et de manière coaxiale à l’arbre, l’élément de rétention étant fixe par rapport à l’arbre et l’enceinte de confinement ; le banc d’essai comprenant un organe de glissement entre l’enceinte de confinement et l’élément de rétention configuré de sorte à favoriser une rotation de l’enceinte de confinement par rapport à l’élément de rétention lorsque l’enceinte de confinement est soumise à un couple engendré par un impact d’un fragment consécutif à un éclatement du composant en rotation dans l’enceinte de confinement au cours d’un essai. Le banc d’essai selon l’invention est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : l’organe de glissement est un roulement ; le roulement est un roulement à bille, un roulement à aiguille ou un palier hydrodynamique ; l’organe de glissement est un lubrifiant ; le lubrifiant est une huile ou une graisse lubrifiante ; l’enceinte de confinement comprend de l’aluminium ; un four disposé à l’intérieur de l’enceinte de confinement, le four étant configuré pour chauffer le composant. L’invention concerne également un procédé d’essai d’éclatement pour un composant de turbomachine d’un banc d’essai selon l’invention, comprenant les étapes suivantes : - solidarisation en rotation du composant avec l’arbre ; - mise en place de l’enceinte de confinement à l’intérieur de l’élément de rétention et autour de l’arbre, en contact avec un organe de glissement ; - mise en rotation du composant par l’arbre jusqu’à l’éclatement du composant ; - arrêt de la rotation de l’arbre ; - extraction de l’enceinte de confinement ; - récolte des fragments du composant issus de l’éclatement du composant. Le procédé d’essai d’un composant est avantageusement complété par les étapes suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - mise en place du four autour du composant ; - mise en chauffe du four. Avantageusement, le composant est un composant de turbomachine, par exemple un disque de turbomachine. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : La FIG. 1 est une vue en coupe verticale d’un banc d’essai selon l’invention ; La FIG. 2 est une vue schématique en coupe horizontale d’un banc d’essai selon un mode de réalisation de l’invention ; La FIG. 3 est une vue schématique en coupe horizontale d’un banc d’essai selon un autre mode de réalisation de l’invention ; La FIG. 4 est un schéma présentant les étapes d’un procédé de mise en œuvre de l’invention. Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION Un banc d’essai vise à obtenir l’éclatement d’un composant en le soumettant à une ou plusieurs contraintes physiques d’amplitude connue, que l’on on fait généralement croitre au cours de l’essai. Compte tenu de l’amplitude importante des contraintes exercées dans de nombreux cas, il est nécessaire d’isoler le banc d’essai par une enceinte de confinement capable de contenir les fragments tout en permettant leur analyse. L’enceinte de confinement doit donc être apte à retenir les fragments sans endommager les faciès de rupture. Dans ce qui suit, comme illustré sur la FIG. 1 , on se place plus particulièrement dans le cadre d’un banc d’essai 0 d’éclatement dans lequel le composant 1 est un disque de turbomachine, mais tout autre composant est envisageable. Un arbre 2 configuré pour entrainer en rotation le composant 1 est placé au centre du banc d’essai 0 et le composant 1 est attaché par des moyens adaptés pour que son centre soit aligné avec l’axe de rotation A de l’arbre 2 . L’arbre 2 et le composant 1 sont entourés par une enceinte de confinement 3 . L’enceinte de confinement 3 , généralement en forme de cylindre creux est amovible et placée pour les essais au centre d’un élément de rétention 4 de même forme, de sorte qu’une paroi extérieure 31 de l’enceinte de confinement fasse face à une paroi intérieure 41 de l’élément de rétention 4 . Dans toute la description, la direction axiale correspond à la direction de l'axe A et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe et passant par lui. Par ailleurs, la direction circonférentielle (ou latérale) correspond à une direction perpendiculaire à l'axe A et ne passant pas par lui. Sauf précision contraire, interne (respectivement, intérieur) et externe (respectivement, extérieur), respectivement, sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie ou la face interne d'un élément est plus proche de l'axe A que la partie ou la face externe du même élément. L’élément de rétention 4 est configuré pour arrêter tout fragment du composant 1 qui n’aurait pas été retenu par l’enceinte de confinement 3 . Cet élément de rétention 4 est préférentiellement de la même forme et d’une résistance supérieure à l’enceinte de confinement 3 . Par exemple, l’élément de rétention 4 peut être d’une seule pièce ou en plusieurs parties de la forme d’un cylindre creux ou d’un anneau, coaxial à l’axe A et concentrique avec l’enceinte de confinement 3 de même forme, et constitué de matériaux d’une dureté supérieure à ceux utilisés dans l’enceinte de confinement 3 . L’enceinte de confinement 3 est de préférence en forme d’anneau ou de cylindre creux. La paroi extérieure 31 de l’enceinte de confinement 3 fait face à la paroi intérieure 41 de l’élément de rétention 4 . Entre la paroi intérieure 41 et la paroi extérieure 31 sont placés un ou plusieurs organes de glissement 6 . Les organes de glissement 6 sont configurés pour réduire les frottements entre la paroi intérieure 41 et la paroi extérieure 31 de sorte à faciliter la rotation de l’enceinte de confinement 3 par rapport à l’axe A lorsqu’un couple de rotation lui est appliqué. En effet, suite à l’éclatement du composant 1 , des fragments du composant 1 sont projetés sur l’enceinte de rétention 3 avec une vitesse . Lors de l’impact, la vitesse se décompose en une vitesse radiale, , et une vitesse tangentielle . Cette dernière génère un couple de rotation qui tend à entrainer l’enceinte de rétention 3 en rotation. En effet, l’énergie ε d’un fragment de disque à l’impact se décompose comme la somme d’une énergie de déformation ε déformation de l’enceinte de confinement 3 , énergie issue de la composante radiale de la vitesse du fragment et de l’énergie de rotation ε rotation de l’enceinte de confinement 3 , énergie issue de la composante tangentielle de la vitesse du fragment , soit : Dans un banc d’essai 0 comme ceux de l’art antérieur, l’énergie de rotation ε rotation est minime, car le montage de l’enceinte de confinement 3 n’est pas prévu pour qu’elle puisse être mise en rotation par rapport l’élément de rétention 4 . Ainsi, elle absorbe toute l’énergie ε de l’impact du fragment du composant sous forme d’énergie de déformation ε déformation . L’ajout d’un organe de glissement 6 permet une meilleure dissipation de l’énergie ε en augmentant la part d’énergie de rotation ε rotation au détriment de la part d’énergie de déformation ε déformation . Cette énergie est dissipée par la rotation de l’ensemble de l’enceinte de confinement 3 dans l’élément de rétention 4 sous la forme d’un couple de rotation. On peut donc utiliser une enceinte de confinement 3 d’épaisseur et par conséquent de masse réduite pour arrêter les fragments projetés, ce qui facilite sa manipulation et permet de réduire le volume général du banc d’essai 0 , de réduire le temps de nécessaire à la mise en place d’un essai et d’augmenter la sécurité. L’ajout des organes de glissement 6 permet donc de concevoir une enceinte de confinement 3 en matériaux de faible dureté, par exemple en aluminium, afin de recueillir les fragments issus de l’éclatement du composant 1 sans endommager les faciès de rupture ni compromettre la sécurité du banc d’essai 0 , tout en maintenant une masse réduite, puisque l’enceinte de confinement 3 absorbera plus facilement les chocs en étant mise en rotation lors de l’impact des fragments. Dans un premier mode de réalisation illustré FIG. 2 , la paroi intérieure 41 comprend un ou plusieurs roulement 6a comme organe de glissement 6 . Chaque roulement 6a est fixé à la paroi intérieure 41 de façon fixe et comporte une partie mobile en contact avec la paroi extérieure 31 de sorte à permettre le glissement de l’une sur l’autre. Il y a au moins un roulement 6a , mais un nombre supérieur, tel que huit, facilite la mise en rotation de l’enceinte de confinement 3 . On peut envisager un nombre plus élevé, tel que plusieurs dizaines de roulements 6a . Chaque roulement 6a peut être un roulement à bille, un roulement à rouleau, un palier hydrodynamique ou tout autre dispositif adapté. Dans un deuxième mode de réalisation alternatif illustré FIG. 3 , la paroi intérieure 41 est placée au contact direct, ou par exemple à une distance inférieure au centimètre, de la paroi extérieure 31. La paroi intérieure 41 comprend comme organe de glissement 6 du lubrifiant 6b . Le lubrifiant 6b peut être par exemple un lubrifiant liquide, solide ou pâteux. De nombreuses huiles, graisses ou tout autre composé permettant le glissement de la paroi extérieure 31 sur la paroi intérieure 41 en réduisant les frottements peuvent être utilisés . D’autre part, afin d’améliorer le réalisme des essais réalisés avec le banc d’essai 0 , il est possible d’y intégrer des moyens de contrôle de la température de l’environnement d’essai, par exemple un four 5 . Un tel four 5 , disposé autour du composant 1 , permet par exemple d’élever la température du composant 1 pour simuler les contraintes physiques réelles auxquelles est soumise la pièce en fonctionnement dans une turbomachine. Le four 5 est à usage unique puisqu’il sera fatalement détruit par les fragments du composant 1 . Dans certains bancs d’essai 0 existants, l’arbre 2 , le four 5 et le composant 1 sont supportés par un capot 7, mobile en translation selon l’axe A pour être positionné en hauteur afin de faciliter le montage du composant 1 , de l’enceinte de confinement 3 et éventuellement du four 5 . Le capot 7 est positionné plus bas lors des essais, afin de placer le composant 1 dans la zone confinée par l’enceinte de confinement 3 . On décrit ci-après en relation avec la FIG. 4 un procédé d’essai d’éclatement d’un composant 1 au moyen du banc d’essai 0 ci-dessus décrit. La mise en œuvre du banc d’essai 0 nécessite d’effectuer premièrement une étape E0 consistant à mettre, s’il est présent, le capot 7 du banc en position haute, puis une étape E1 de solidarisation en rotation du composant 1 avec l’arbre 2 puis entrainer l’arbre 2 en rotation. L’étape suivante est l’étape E2 de mise en place de l’enceinte de confinement 3 en contact avec le ou les organes de glissement 6 , suivie d’une étape de mise en position basse du capot 7 . L’essai proprement dit peut alors commencer par une étape E5 consistant en la mise en rotation du composant 1 par l’arbre 2 d’entrainement en rotation, la vitesse de rotation suivant un protocole préétabli, qui comporte généralement une accélération progressive de la vitesse de l’arbre 2 jusqu’à l’éclatement du composant 1 . Une étape E6 d’arrêt de la rotation après l’éclatement du composant 1 et éventuellement de levée du capot 7 est suivie d’une étape E7 d’extraction de l’enceinte de confinement 3 . Au cours de l’étape finale E8, les fragments d’éprouvette 1 contenus dans l’enceinte de confinement 3 sont récoltés pour examen. Si le banc d’essai 0 comprend un four 5 , il est nécessaire de mettre en place le four 5 autour du composant 1 lors d’une étape E3, puis de le mettre en chauffe lors d’une étape E4 située avant, simultanément ou après l’étape E5 de mise en rotation du composant par l’arbre 2. Dans cette configuration, la température du four 5 peut être modifiée au cours de l’essai, par exemple en l’augmentant progressivement jusqu’à l’éclatement du composant 1 , afin de tester les propriétés thermiques du composant 1 . Banc d’essai ( 0 ) d’éclatement d’un composant ( 1 ) de turbomachine, comprenant : - un arbre ( 2 ) s’étendant selon un axe A , l’arbre ( 2 ) étant mobile en rotation autour de l’axe A ; l’arbre ( 2 ) étant configuré pour entrainer en rotation le composant ( 1 ) lorsque le composant ( 1 ) est solidarisé en rotation à l’arbre ( 2 ) ; - une enceinte de confinement ( 3 ) annulaire disposée coaxialement à l’arbre ( 2 ), - un élément de rétention ( 4 ) annulaire disposé autour de l’enceinte de confinement ( 3 ) et de manière coaxiale à l’arbre ( 2 ), l’élément de rétention ( 4 ) étant fixe par rapport à l’arbre ( 2 ) et l’enceinte de confinement ( 3 ) ; le banc d’essai ( 0 ) comprenant un organe de glissement ( 6 ) entre l’enceinte de confinement ( 3 ) et l’élément de rétention ( 4 ) configuré de sorte à favoriser une rotation de l’enceinte de confinement ( 3 ) par rapport à l’élément de rétention ( 4 ) lorsque l’enceinte de confinement ( 3 ) est soumise à un couple engendré par un impact d’un fragment consécutif à un éclatement du composant ( 1 ) en rotation dans l’enceinte de confinement ( 3 ) au cours d’un essai. Banc d’essai ( 0 ) d’éclatement d’un composant ( 1 ) de turbomachine selon la revendication 1, dans lequel l’organe de glissement ( 6 ) est un roulement ( 6a ). Banc d’essai ( 0 ) d’éclatement d’un composant ( 1 ) de turbomachine selon la revendication 2, dans lequel le roulement ( 6a ) est un roulement à bille, un roulement à aiguille ou un palier hydrodynamique. Banc d’essai ( 0 ) d’éclatement d’un composant ( 1 ) de turbomachine selon la revendication 1, dans lequel l’organe de glissement ( 6 ) est un lubrifiant ( 6b ). Banc d’essai ( 0 ) d’éclatement d’un composant ( 1 ) de turbomachine selon la revendication 4, dans lequel le lubrifiant ( 6b ) est une huile ou une graisse lubrifiante. Banc d’essai ( 0 ) d’éclatement d’un composant ( 1 ) de turbomachine selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’enceinte de confinement ( 3 ) comprend de l’aluminium. Banc d’essai d’éclatement d’un composant ( 1 ) de turbomachine selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant un four ( 5 ) disposé à l’intérieur de l’enceinte de confinement ( 3 ), le four ( 5 ) étant configuré pour chauffer le composant ( 1 ). Procédé d’essai d’éclatement pour un composant ( 1 ) de turbomachine d’un banc d’essai ( 0 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes : - E1 solidarisation en rotation du composant ( 1 ) avec l’arbre ( 2 ) ; - E2 mise en place de l’enceinte de confinement ( 3 ) à l’intérieur de l’élément de rétention ( 4 ) et autour de l’arbre ( 2 ), en contact avec un organe de glissement ( 6 ) ; - E5 mise en rotation du composant ( 1 ) par l’arbre ( 2 ) jusqu’à l’éclatement du composant ( 1 ) ; - E6 arrêt de la rotation de l’arbre ( 2 ) ; - E7 extraction de l’enceinte de confinement ( 3 ) ; - E8 récolte des fragments du composant ( 1 ) issus de l’éclatement du composant ( 1 ). Procédé d’essai d’éclatement selon la revendication 8, comprenant entre les étapes E2 et E5, les étapes suivantes : - E3 mise en place du four ( 5 ) autour du composant ( 1 ) ; - E4 mise en chauffe du four ( 5 ). Banc d’essai d’éclatement d’un composant ( 1 ) de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 ou procédé d’essai d’éclatement selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le composant ( 1 ) de turbomachine est un disque de turbomachine.