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"Perfectionnements apportés ou relatifs aux compresseurs et turbi-
La présente invention a trait à des compresseurs et des turbines, comme ceux, par exemple, qui sont employés dans les moteurs à turbine à gaz. L'invention concerne le montage des aubes, particulièrement de systèmes d'aubes du type axial, dans les compresseurs et les turbines, montage dans lequel l'aube est portée par la périphérie d'un disque ou d'une roue tournants; une autre application de l'invention est celle qui est faite aux aubes directrices tournantes des compresseurs centrifuges.
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Pendant le fonctionnement de tels compresseurs et turbines, particulièrement dans les moteurs à turbine à gaz, les aubes sont soumises à des efforts alternants, ce qui peut faire travailler les aubes à la flexion, c'est-à-dire, provoquer des fatigues de flexion dans les aubes.
De tels efforts alternants peuvent être suscités par des chocs aéro- dynamiques dus au mouvement relatif des aubes du rotor et des parties statiques, ou bien des vibrations mécaniques dues, par exemple, aux engrenages, ou à d'autres causes, et si la fréquence est. en résonance avec la fréquence propre de l'aube en vibration à la flexion, l'aube peut céder à la fatigue. même si la résonance ne se produit pas par suite de la coïncidence d'une fréquence existante avec la fréquence propre de l'aube, des efforts vibratoires alternants peuvent finalement faire céder l'aube.
Un objet de la présente invention est de présenter un mode de montage des aubes grâce auquel la probabilité qu'une fréquence de vibration propre de l'aube dans un compresseur ou une turbine soit trop proche d'une fréquence excitatrice naissant pendant le fonctionnenent normal du comp- presseur ou de la turbine, ou de la machine dans son ensemble, des est sensiblement réduite, et grâce auquel la grandeur/tensions alternantes dues à la flexion auxquelles les aubes sont sou- mises en fonctionnement est aussi réduite.
L'invention pré- sente une méthode et un dispositif de montage des aubes, dans lesquels il est possible de construire l'aube d'abord sur la base des caractéristiques aérodynamiques désirées, 12 question des caractéristiques de résistance relatives aux problèmes vi- bratoires possibles étant résolue par la manière de fixer les racines des aubes.
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On peut mentionner le fait que la méthode normale de montage des aubes dans les compresseurs et les turbines axiaux consiste à les fixer rigidement à la racine par un assemblage en queue d'aronde ou en "flèche", et que dans le cas des aubes directrices tournantes d'un compresseur centrifuge, il a été d'usage d'usiner les aubes directrices et les aubes du rotor comme une roue unitaire montée sur l'arbre du compresseur. Avec les assemblages en queue d'aronde ou en flèche, les charges centrifuges produites en fonction- nement font que les aubes sont fortement saisies par les mortaises ou similaires aménagées dans la roue qui les porte, si bien qu'en fait, les aubes peuvent être considérées comme encastrées à la racine; semblablement, dans le cas de l'assemblage des aubes directrices rotatives unitaire, les aubes sont également encastrées.
In peut montrer qu'une aube encastrée à une extré- mité vibre avec son mode fondamental de vibration à la fle- xion de la façon d'une lame simple et qu'elle a une fréquen- ce fondamentale du "premier ordre" dépendant de ses carac- téristiques physiques. Un second mode de vibration ou pre- mier harmonique peut exister dans lequel la flexion a de nouveau lieu à la racine et où un noeud intermédiaire existe entre la racine et le bout libre, avec un ventre au bout li- bre ; la fréquence d'un tel harmonique est appelée une fré- quence du "second ordre". Des modes de vibration addition- nels, donnant des fréquences de vibration du 3e et, peut- être, du 4e ordre, peuvent aussi être observés, bien qu'en général, de telles fréquences d'ordre élevé ne soient pas de nature grave.
On peut montrer encore que si l'aube est fixée par sa racine, mais que le moyen de fixation ne l'encastre pas, l'aube a un mode de vibration à la flexion complètement différent. Le mode de premier ordre présente un noeud à la
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racine, un noeud intermédiaire entre la racine et le bout et un ventre au bout libre libre. Le premier ordre de vibration d'un aube est ainsi beaucoup plus élevé et vaut, par exemple, deux fois ou qua- tre fois la fréquence de premier ordre pour une aube encas- trée.
Semblablement, un mode de second ordre de vibration peut exister dans lequel il y a un noeud à la racine avec deux noeuds intermédiaires entre la racine et le bout libre, et un ventre au bout libre, et la fréquence de ces vibrations dépasse aussi considérablement la fréquence vibratoire de second ordre de l'aube encastrée.
La présente invention tire profit de l'augmentation des fréquence propres des vibrations à la flexion naissant par suite du fait que l'on emploie un montage de la racine où l'encastrement à la flexion fait défaut à la racine.
Selon la présente invention, les aubes du rotor d'une turbine ou d'un compresseur sont portées par une roue, un disque ou un tambour d'une façon qui assure un degré limité de liberté à pivoter autour d'un point de la roue et dans le plan de rotation de celle-ci, dans le but d'aug- menter leur fréquence propre de vibration afin d'éviter la coïncidence d'une fréquence propre de vibration à la flexion d'une aube avec une fréquence excitatrice observée pendant la marche du rotor aux vitesses utilisées en fonctionnement normal. Il convient que la fixation des aubes puisse être effectuée par une broche simple située transversalement par rapport au plan de rotation de la roue ou du disque portant les aubes, cette fixation à broche assurant une liberté li- mitée du mouvement de pivotage de l'aube dans le plan de rotation.
En outre, il est préférable que la broche ait un
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diamètre légèrement plus petit que celui des trous ménagés dans la racine de l'aube ou le disque ou la roue où s'engage la broche, ce qui permet un mouvement de roulement de la broche dans les surfaces qui le maintiennent.
On doit mentionner le fait qu'une proposition a été faite à l'effet de monter des aubes de turbine creuses de forme hautement cambrée par une seule broche, dans ce cas, toutefois, par suite de la construction creuse de l'aube et de sa section, l'aube aurait, même si elle était encastrée à la racine, des fréquences de vibra- tion propres de premier et de second ordre qui seraient considéra- blement plus élevées que les fréquences existantes que l'on a des chances de rencontrer en fonctionnement pratique ; il est-évi- dent que la fixation par broche ne fut pas adoptée dans ce cas dans le but décrit selon la présente invention.
L'invention comprend encore un rotor de corresseur ou de tur- bine dont les aubes, ayant, lorsqu'elles sont encastrées, une fréquen- ce de vibration propre du premier ou de second ordre qui coïncide ou est proche de la fréquence d'une vibration excitatrice suscepti- ble d'être observée, sont montées, de façon à pouvoir pivoter sur la roue ou le disque, ce qui fait que la fréquence de vibration pro- pre, qui sinon aurait coïncidé avec la fréquence excitatrice, est élevée de façon à être sensiblement différente de la fréquence de vi- bration excitatrice.
'invention présente ensuite une méthode de fabrication du rotor d'un compresseur ou d'une turbine, méthode qui comprend le choix du type de fixation de la racine des aubes du rotor par les étapes suivantes,: 1 la détermination des fréquences possibles de vi- brations excitatrices entre les limites de la vitesse du rotor main- tenue en fonctionnement normal, 2 la détermination des fréquences de vibration du premier et du second ordre des aubes ayant les proprié- tés aérodynamiques et physiques désirées et dont les racines-
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sont encastrées, 3 la détermination du fait si ces fréquen- ces de premier et de second ordre coincident avec les fré- quences excitatrices , et 4 si la coincidence est réalisée avec la fixation par encastrement,
la fixation de ces aubes au moyen d'une broche ou d'une fixation de racine équiva- lente, afin d'élever la fréquence propre des vibrations à la flexion au delà de la résonance avec ces fréquences de vibrations excitatrices.
La description suivante illustre l'invention avec plus de détails et également deux formes de pivots de fixa- tion des aubes convenant à l'usage selon l'invention. La description se réfère aux dessins ci-annexés ou: -les figs. 1 à 4 illustrent schématiquement les modes de vi- bration du premier et du second ordre d'une lame ayant sa racine encastrée et montée sur pivot, respectivement, la fig. 5 illustre une;:forme de fixation d'aube par pivot, la fig. 6 illustre une variante de fixation d'aube par pi- vot, et la fig.7 est une vue schématique terminale de fixation d'aube par pivot.
En se référant aux figs.l à 4, on voit qu'il y est illustré les modes de vibration du premier et du second ordre d'une lame 10 de section constante (a) avec sa racine 11 encastrée dans la monture 12 (figs.l et 2) et (b) avec sa racine montée par pivot en 13 sur la monture 12 (figs. 3 et 4).
Comme il est illustré fig.l , la lame vibre à la façon d'une lame simple autour de sa racine avec une fréquence dépendant des caractéristiques physiques. Avec le second mode de vibration, fig.2, il a des noeuds 14 en deux points le long de la lame et un ventre au bout libre 15. On peut mon- trer que si la fréquence de vibration fondamentale du pre- mier ordre est "f", la fréquence du second ordre sera 6,27 f.
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Avec la racine montée par pivot, toutefois, le premier mode de vibration amène un noeud au pivot 13, un second noeud 16 en un point intermédiaire entre le pivot et le bout libre et un ventre au bout libre 17 de la lame. La fréquence de vibration peut être exprimée en fonction de la fréquence de vibration du premier or- dre (f) de la lame ayant la racine encastrée par l'expression 4,38f.
On voit que cette fréquence est intermédiaire entre les fréquences de vibration de la lame encastrée du premier et du second mode de vibra- tion*
Le second mode de vibration avec la racine fixée par pivot amène des noeuds au pivot et en deux points 19 le long e la lame et un ventre au bout libre 20 et la fréquence de vibration pout ce mode de vibration est de 11,15 f, c'est-à-dire qu'elle est beaucoup plus élevée que la fréquence de second ordre pour la lame encastrée.
Des résultats similaires peuvent être obtenus pour des aubes telles de rotor @ qu'on en emploie dans les compresseurs et les turbmnes, bien que le rapport'des fréquences ne soit pas exactement le même.
Par exemple, les résultats suivants ont été obtenus pour une aube typique de premier étage du rotor d'un compresseur axial:
Racine encastrée- Fréquence de premier ordre 150 cycles par seconde.
Racine encastrée- Fréquence de second ordre 50 cycles par seconde.
Racine pivotante- Fréquence de premier ordre 320 cycles par seconde.
Racine pivotante- Fréquence de second ordre 1. 500 cycles par seconde.
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Dans le compresseur dans lequel cette aube devait être utilisée, une fréquence de vibration excitatrice, due aux âmes portant le palier avant situées dans l'admission du compresseur, était voisine de 770 cycles par seconde à la vitesse de rotation maximum du compresseur, cette fréquence variant directement avec la vitesse de marche du compresseur.
Aindi, à une vitesse de rotation donnée du compresseur, située entre les limites de vitesse entre lesquelles la marche se maintient normalement, la coïncidence se serait réalisée en- tre la fréquence de vibration de second ordre de l'aube encas- trée et la fréquence excitatrice, si bien que l'aube aurait pu céder à la fatigue qui lui était imposée. Toutefois, en choisis- sant pour cet étage an montage par pivot, la fréquence propre de second ordre est élevée de façon à être bien au-delà de tou- te fréquence excitatrice possible, tandis que la fréquence de premier ordre est trop basse pour coïncider avec la fréquence existante entre les limites de marche normale.
Pour cela, dans la construction du compresseur, des résul- tats correspondants sont obtenus pour les étages restants du compresseur et les fréquences sont comparées avec les fréquences excitatrices, et un montage par pivot est adopté dans les éta- ges où la coïncidence entre le second ou le premier ordre de fré- quence pour les aubes encestrées et une fréquence excitatrice a été observée. Le rotor de compresseur ainsi construit est moins sujet à la rupture des aubes qu'un rotor où les racines des aubes sont encastrées à tous les étages.
L'exemple ci-dessus néglige évidemment l'effet de la force centrifuge sur la broche ou son équivalent du montage par pivot, effet qui consiste en un certain amor-
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tissement par friction des vibrations de l'aube et en une certaine augmentation de la rigidité de la fixation de la racine, c'est-à-dire, en une certaine tendance vers les conditions où la racine est encastrée. Toutefois, l'invention permet que la construction du montage de la racine soit telle que la fréquence des charges vibratoires naissant pendant le fonctionnement normal du rotor ne coïncident pas avec la fréquence ou les fréquences de vibration propres de l'aube autour de sa monture de racine.
En se référant maintenant à la fig. 5, il y est illustré une forme de montage par pivot d'une aube de com- presseur, montage qui est particulièrement approprié aux ,aubes des étages initiaux d'un compresseur axial. Laube 21 comporte une plate-forme de racine 22 de la surface infé- rieure de laquelle saillent une paire de nervures 23 dis- posées de façon à se trouver de part et d'autre d'une paire de rebords radiaux, circonférenciels et axialement espacés 24 situés sur la périphérie du disque 25 qui fait partie de l'assemblabe du rotor du compresseur. La plate-forme 22 porte également une saillie 26 de moindre longueur axiale que les nervures 23 et qui s'étend entre les rebords 24.
L'aube est montée sur le disque 25 de façon à avoir une liberté limitée de mouvement de pivotage dans le plan du disque grâce à une broche 27 s'étendant à travers les ner- vures 23 et les rebords 24 et, afin de réduire la tendance des chertés centrifuges observées en fonctionnement à aug- menter les charges de friction, la broche a un diamètre quel- que peu plus petit que les trous qui reçoivent la broche et qui sont ménagés dans les nervures 23 et les rebords 24.
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Le jeu, qui est de préférence de l'ordre de 1% du diamètre de la broche, permet un certain roulement de la broche sur les surfaces qui la portent. L'arrangement est illustré fig.7 dans laquelle le jeu entre la broche 27 et les parois des trous 28 ménagés dans les nervures 23 et des trous 29 ménagés dans les rebords 24 est montré d'une façon exagérée.
La broche 37, en fonctionnement, roule sur la partie supé- rieure des trous 29 et sur le fond des trous 28, si bien que la résistance par friction au pivotege provoquée par l'aube est réduite.
Une variante de montage est illustrée fig.6, va- riante qui convient aux aubes plus petites employées dans les étages finaux d'un compresseur axial. Dans cette cons- truction, le disque 25 porte un seul rebord 24B qui se trouve dans le plan du disque et les nervures 23 chevau- chent le rebord.
Une autre question qui se pose dans la construc- tion des aubes tournantes des compresseurs et des turbines est qu'il est d'usage de compenser les moments centrifuges et de gauchissement dû au courant gazeux; lorsque la fixa- tion par encastrement de la racine est employée, cet équi- librage est théoriquement possible pour une seule condition de marche, par exemple, dans le cas d'un moteur à turbine à gaz, pour une seule vitesse de marche et pour une seule altitude. Dans d'autres conditions, c'est-à-dire, pour dif- férentes vitesses et altitudes, l'équilibrage n'a plus d'effet par suite des charges de gauchissement qui sont ap- pliquées aux aubes.
Toutefois, dans le cas d'une aube mon- tée- par pivot selon l'invention, le .moment de gauchissement tangentiel à la racine, où se situe ordinairement la tension maximum est négligeable, ce qu'on peut montrer, tandis que
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la résistance au gauchissement dans le plan axial peut en tous cas être aisément rendue suffisante en eonstruisant une aube typique. On peut mentionner le fait que la fré- quence propre de vibration à la torsion, pour une aube de construction typique, est normalement considérablement plus élevée que la fréquence propre de vibration à la flexion, et une rupture ne peut être si aisément imputable à la résonance à la torsion.
L'application des charges centrifuges sur le montage par broche peut produire, ainsi qu'on l'a dit plus haut, une certaine rigidité de la fixation qui fait tendre les conditions de fixation vers celles de l'encas- trement, mais tout amortissement par friction ainsi imposé est vaincu lorsque l'amplitude critique est atteinte, par- ticulièrement en conditions de résonance vibratoire, et le mode de vibration est alors modifié. La fixation par pivot à la racine de façon que l'aube soit simplement portée agit donc comme un amortisseur.
REVENDICATIONS
1. Un rotor de compresseur ou de turbine dont les aubes sont montées sur un disque, une roue ou un tambour d'une manière laissant un degré limité de liberté de pivote- ment dans le plan du disque ou de la roue, et dont les aubes ainsi montées ont des fréquences de vibration à la flexion propres différant sensiblement des fréquences excitatrices observées pendant la marche du rotor aux vitesses maintenues en fonctionnement normal.