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1. WO2020115373 - TURBOMACHINE ROTOR HAVING A DAMPING NUT

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[ FR ]

DESCRIPTION

TITRE : ROTOR DE TURBOMACHINE AVEC ÉCROU D'AMORTISSEMENT

Domaine technique de l’invention

La présente invention concerne un rotor de turbomachine ainsi qu’un procédé de gestion des vibrations au sein d’un rotor de turbomachine.

Présentation de l'invention

Les composants d’un rotor de turbomachine sont soumis à des efforts dynamiques d'origine vibratoire lors du fonctionnement de la turbomachine.

La maîtrise des niveaux vibratoires constitue une problématique de premier ordre pour les motoristes aéronautiques et son importance a tendance à augmenter du fait de l’évolution des technologies mécaniques et de l’augmentation des performances aérodynamiques conduisant à des réductions significatives de masse et à des augmentations d’efforts sur les composants. Même si les concepteurs essaient, dans la mesure du possible, d'éviter toute coïncidence ou résonance dans les plages de fonctionnement du moteur, les phénomènes vibratoires sont souvent inévitables. Enfin, même si ces structures possèdent un certain niveau d'amortissement intrinsèque ou externe, celui-ci reste généralement difficile à quantifier et n’est souvent pas suffisant pour garantir une fiabilité de fonctionnement, en particulier dans le cas de structures monoblocs.

La stratégie la plus utilisée pour maîtriser les niveaux vibratoires d'une structure consiste à lui apporter de l’amortissement.

Dans le cas de composants sectorisés, tels que les roues aubagées par exemple, de nombreuses solutions existent et les déplacements entre les différents secteurs permettent de dissiper l’énergie par frottement.

Dans le cas de composants monoblocs, il existe un nombre plus restreint de solutions d’amortissement car ceux-ci ne présentent pas de jonction ni d’interface au niveau desquelles l'énergie vibratoire peut être dissipée par frottement.

Une première solution classiquement utilisée est l'ajout d’un jonc métallique annulaire fendu dans une gorge du composant monobloc soumis aux vibrations, de façon à réaliser un amortissement par friction. Les mouvements vibratoires du composant génèrent des frottements dans la zone d’interface avec le jonc qui permettent de dissiper l’énergie. L'inconvénient d’une telle solution est qu’elle réduit la tenue mécanique du composant par l’usinage d’une gorge, le jonc pouvant par ailleurs s'user prématurément du fait des frottements.

Une seconde solution connue est l'utilisation de revêtements d'amortissement de type visco-élastiques, élastomère ou encore à base de silicone. Dans ce cas, l’amortissement est réalisé par le revêtement lui-même. Une telle solution est notamment connue du document FR 2 979 681 , au nom de la Demanderesse.

Une telle solution ne peut toutefois pas être utilisée lorsque les températures de fonctionnement sont importantes. Par ailleurs, une telle solution est difficilement utilisable lorsque le composant est soumis à un champ centrifuge important, pouvant entraîner le décollement du revêtement visco-élastique.

Résumé de l'invention

L'invention vise à remédier aux inconvénients précités, de manière simple, peu coûteuse et fiable.

A cet effet, l’invention concerne un rotor de turbomachine, en particulier pour un aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte une partie filetée ou taraudée et un écrou d'amortissement vissé sur la partie filetée ou taraudée de façon à autoriser un frottement des filets de l'écrou et de la partie filetée ou taraudée les uns par rapport aux autres en cas de vibration du rotor.

Les frottements générés au niveau des filets en prise permettent la dissipation de l’énergie et l'amortissement des vibrations du rotor. L’invention peut être appliquée à toute pièce tournante ou rotor, en particulier lorsque ledit rotor est monobloc.

L'écrou ne sert pas à maintenir un composant, comme cela est classiquement le cas sur un assemblage vissé.

L'écrou d'amortissement est de préférence situé dans une zone du rotor qui possède des déplacements vibratoires à amortir. Cette zone peut être définie au travers d'analyses numériques, par exemple tors d’analyses par éléments finis, ou tors d'essais en laboratoire. On notera que l'ajout de l'écrou d'amortissement conduit à une modification des fréquences propres de l'ensemble. Une vérification du positionnement fréquentiel peut être réalisée afin de s’assurer que la modification de la fréquence propre reste acceptable.

Une telle solution d’amortissement peut être utilisée même dans le cas d'environnements présentant des températures importantes, avec un risque d’usure limité de l’écrou et de la partie filetée ou taraudée. Une telle solution peut être utilisée pour un rotor présentant des vitesses de rotation importantes du fait de sa capacité à fonctionner sous efforts centrifuges.

La partie filetée ou taraudée peut comporter une zone d'extrémité comportant une denture. Les parties équipées de dentures génèrent des vibrations en fonctionnement. La mise en œuvre de l'invention au niveau de telles parties permet de traiter ces phénomènes vibratoires. Les filets de l’écrou peuvent être situés axialement en regard de la denture externe, de manière à ce que les frottements permettant l’amortissement des vibrations interviennent à proximité de la denture externe, au niveau de laquelle les phénomènes vibratoires sont importants.

Le nombre de filets de l’écrou en prise avec la partie filetée ou taraudée peut être au moins égal à cinq.

De cette manière, on s’assure que les frottements entre les filets de l’écrou et les filets de la partie filetée ou taraudée sont suffisamment importants pour dissiper efficacement les

vibrations. Le nombre de filets peut varier en fonction du diamètre de l’écrou et de la partie filetée ou taraudée, et des matériaux utilisés.

L'écrou peut comporter une butée apte à venir axialement en appui sur une butée complémentaire de la partie filetée ou taraudée.

Ladite butée permet de positionner axialement l’écrou par rapport à la partie filetée ou taraudée et de dissiper une énergie supplémentaire, de manière à améliorer encore l'amortissement des vibrations.

Le terme axial est défini par rapport à l'axe de rotation du rotor, qui peut être confondu avec l'axe de l'écrou et/ou l'axe de la turbomachine.

La butée de l’écrou peut être formée par une collerette s'étendant radialement, la butée de la partie filetée étant formée par une surface d’extrémité ou épaulement radial.

Un joint élastiquement déformable peut être monté entre l'écrou et la partie filetée ou taraudée du rotor.

Les déformations du joint permettent de dissiper une énergie supplémentaire, de manière à améliorer encore l'amortissement des vibrations.

Ledit joint peut être un joint torique.

Le rotor peut comporter un arbre rotatif creux et une partie de couplage annulaire montée autour de l'arbre et couplée en rotation à celui-ci, la partie de couplage annuaire formant la partie filetée ou taraudée.

En variante, l’arbre et la partie de couplage peuvent être réalisés en une seule pièce.

La partie de couplage peut être vissée sur l’arbre, des moyens de retenue axiale maintenant axialement la partie de couplage par rapport à l'arbre.

Les moyens de retenue axiale peuvent comporter un organe axialement déformable. Ledit organe axialement déformable est par exemple un joint déformable. Les moyens de retenue axiale peuvent comporter un écrou et un contre-écrou. L’organe axialement déformable peut être intercalé axialement entre l'écrou et le contre-écrou, d’une part, et la partie de couplage, d’autre part, de façon à maintenir l’organe de couplage en appui sur une butée axiale de l'arbre. Le joint déformable peut comporter une section en U.

La partie de couplage peut comporter une zone tubulaire s'étendant axialement et entourant les moyens de retenue axiale.

Une telle structure est compacte tout en permettant un accès aisé aux moyens de retenue axiale afin de faciliter notamment le montage et le démontage de l’ensemble.

L'invention concerne également un procédé de gestion des vibrations au sein d'un rotor de turbomachine, caractérisé en ce qu’il consiste à visser un écrou d'amortissement sur une partie filetée ou taraudée du rotor de manière à autoriser un frottement des filets de l’écrou et de la partie filetée ou taraudée les uns par rapport aux autres en cas de vibration du rotor.

La zone d’implantation de l’écrou peut être déterminée par une analyse vibratoire du rotor en fonctionnement.

L'écrou précité peut comporter une butée apte à venir axialement en appui sur une butée complémentaire de la partie filetée ou taraudée, la butée de l'écrou étant formée par une collerette s’étendant radialement, la butée de la partie filetée étant formée par une surface d'extrémité ou un épaulement radial, la partie filetée ou taraudée comportant une zone d’extrémité comportant une denture.

L'invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés.

Brève description des figures

[Fig. 1] est une vue en coupe axiale d’une partie d’un rotor selon une forme de réalisation de l'invention ;

[Fig. 2] est une vue en perspective, avec écorché partiel, d’une partie du rotor de la figure 1 ; [Fig. 3] est une vue correspondant à la figure 1 , illustrant une autre forme de réalisation de l'invention.

Description détaillée de l'invention

Les figures 1 et 2 illustrent un rotor 1 d’une turbomachine selon une première forme de réalisation de l'invention. Celui-ci comporte un arbre rotatif 2 creux d’axe X. Une partie de couplage annulaire 3 est montée autour de l’arbre 2 et couplée en rotation à celui-ci. La partie 3 comporte une zone d'extrémité comportant une denture externe 4, une surface d’extrémité radiale 5 et une partie taraudée 6. La zone d'extrémité de la partie de couplage comporte un décrochement 7 situé axialement entre la surface radiale 5 et la partie taraudée 6.

Les termes amont et aval sont définis par rapport au sens du flux de gaz au sein de la turbomachine. Les termes axial et radiai sont définis par rapport à l'axe X du rotor 1 , qui est ici confondu avec l'axe X de la turbomachine.

Le rotor 1 comporte en outre un écrou 8 comportant une zone filetée 9, coopérant avec la zone taraudée 6 de la partie de couplage 3. Le nombre de filets de l’écrou 8 en prise avec les filets de la zone taraudée 6 est au moins égal à cinq. Les filets 9 de l’écrou 8 et la zone taraudée 6 sont situés axialement en regard de la denture externe 4.

L’écrou 8 comporte en outre une collerette 10 s’étendant radialement vers l’extérieur, venant en appui sur la surface radiale 5 de l'extrémité de la partie de couplage 3.

Les frottements de la collerette 10 sur la surface radiale 5 permettent de dissiper une énergie supplémentaire, de manière à améliorer encore l’amortissement des vibrations.

La surface radialement interne 11 de l'écrou 8 est conique et s’évase vers l’aval.

La partie 3 peut être vissée sur l’arbre 2. La partie 3 peut être maintenue axialement en fond de vissage ou contre une butée axiale de l’arbre 2, par l’intermédiaire de moyens de retenue

axiale 13. Ces moyens 13 comportent un joint 14 de section en U et déformable axialement, un écrou 15 et un contre-écrou 16. Le joint 14 est intercalé axialement entre l’écrou 15 et une surface d’appui 3a formée par un épaulement de la partie 3. Le joint 14 exerce ainsi un effort tendant à plaquer la partie 3 contre la butée axiale correspondante de l'arbre 2.

La partie 3 comporte une zone tubulaire amont 3b entourant les moyens de retenue axiale 13. En fonctionnement, lorsque le rotor 1 est entraîné en rotation, le composant 3 subit des vibrations locales situées principalement dans les parties 4,5 et 6. Ces vibrations sont amorties par les frottements générés au niveau des filets en prise de l'écrou 8 et de la partie taraudée 6, permettent la dissipation de l'énergie et l’amortissement des vibrations du composant 3. Comme cela est illustré à la figure 3, un joint torique 12 élastiquement déformable peut être logé entre l’écrou 8 et l'extrémité aval de la partie de couplage 3, ledit joint 12 étant logé en partie dans le décrochement 7 de la partie de couplage 3. Le joint 12 est situé axialement entre la collerette 10 et la partie filetée 9 de l’écrou 8.

Les déformations du joint 12 permettent de dissiper une énergie supplémentaire, de manière à améliorer encore l'amortissement des vibrations.

Dans chacune de ces formes de réalisation, l'écrou 8 ne sert pas à maintenir un composant, comme cela est classiquement le cas sur un assemblage vissé. L'écrou d'amortissement 8 est de préférence situé dans une zone du rotor 1 qui possède des déplacements vibratoires à amortir. Cette zone peut être définie au travers d'analyses numériques, par exemple une analyse par éléments finis, ou d'essais en laboratoire.

On notera que l’ajout de l'écrou d’amortissement 8 conduit à une modification des fréquences propres de l’ensemble. Une vérification du positionnement fréquentiel peut être réalisée afin de s’assurer que la modification de la fréquence propre reste acceptable.