ENTRE AU MOINS DEUX PIÈCES DE ROTOR D’UNE TURBOMACHINE ET PROCÉDÉ DE RÉALISATION D’UN FILETAGE VARIABLE POUR UN TEL ASSEMBLAGE

La présente invention concerne un assemblage mécanique pour la transmission d’efforts axiaux entre au moins deux pièces de rotor d’une turbomachine.

Elle concerne également un procédé de réalisation d’un filetage variable pour une portion filetée d’arbre et/ou un écrou d’un tel assemblage.

DOMAINE DE L’INVENTION ET ETAT DE LA TECHNIQUE

Rappels généraux sur les turbomachines

Un turboréacteur axial à double flux est représenté schématiquement sur la figure 1 . Le turboréacteur 1 comprend dans le sens d’écoulement d’air selon l’axe du moteur, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6, une turbine basse pression 7 et une tuyère propulsive (non représentée).

La soufflante 1 et le compresseur basse pression 3 sont reliés à la turbine basse pression 7 par un premier arbre de transmission 9, tandis que le compresseur haute pression 4 et la turbine haute pression 6 sont reliés par un deuxième arbre de transmission 10.

En fonctionnement, un écoulement d’air comprimé par les compresseurs basse et haute pression 3 et 4 alimente une combustion dans la chambre de combustion 5. Les turbines 6,7 récupèrent de l’énergie cinétique issue de l’expansion des gaz de combustion avant de la restituer aux compresseurs 3,4 et à la soufflante 2 via les arbres de transmission 9,10.

Assemblage des arbres de transmission

La réalisation des turboréacteurs implique une conception de la ligne d’arbre 9, 10 qui assure la transmission de la puissance depuis la turbine basse pression 7 (en l’aval) à la soufflante 2 (en l’amont). Il est souvent nécessaire de réaliser cet ensemble mécanique en plusieurs pièces pour des questions d’intégration et de fabricabilité. Ces multiples pièces devant être liées entre-elles par des liaisons assurant la transmission de différents efforts, on a souvent recours à une solution technique qui consiste en un tandem cannelure-filetage ou : - Les cannelures transmettent le couple de la turbine,

- Le filetage transmet les efforts axiaux.

En référence à la figure 2, l’arbre de turbine basse-pression 9 est logé à l’intérieur d’un tourillon 11 qui termine l’arbre du compresseur basse-pression 3. Le tourillon 11 et la portion de l’arbre 9 qui se trouve au niveau du tourillon 1 1 comportent des cannelures rectilignes complémentaires 12. Ces cannelures complémentaires 12 assurent la transmission de couple entre les deux pièces que constitue l’arbre de turbine 9 et l’arbre du compresseur basse- pression 3.

La transmission des efforts axiaux entre ces deux pièces 9 et 3 est quant à elle assurée par un assemblage à filetage et écrou. A cet effet, l’arbre 9 se termine par une portion filetée 15, dont le filetage externe coopère avec un écrou à filetage interne 14. Ledit écrou assure le serrage d’un talon annulaire intérieur 3a du compresseur basse pression 3 contre une cale de réglage 13. Ladite cale 13 est elle-même intercalée entre ledit talon 3a et une butée 9b que présente l’arbre 9 en amont des cannelures 12. Un jonc d’arrêt 16 est également prévu pour assurer le blocage en rotation de l’écrou.

Contraintes sur les arbres de transmission

L’arbre de turbine basse-pression 9 et l’arbre du compresseur 3 sont de grande longueur et soumis à d’importants couples lors du fonctionnement du turboréacteur 1 .

Au sein de cet assemblage le filetage joue un rôle essentiel en permettant la transmission des efforts axiaux qui peuvent atteindre plusieurs centaines de kN.

La tenue mécanique des filetages est de ce fait critique car l’intensité des efforts transmis provoque des contraintes très importantes sur de très petites zones, notamment dans le premier filet (zone 17 sur la figure 2). Ceci rend compliqué le dimensionnement de cet assemblage.

Le premier filet est de ce fait généralement le plus chargé en effort alors que les contraintes décroissent rapidement dans les filets suivants.

Cette situation provoque une usure rapide du premier filet (zone 17) et conduit à une faible durée de vie des pièces qui doivent être surdimensionnées pour atteindre l’objectif de durée de vie de l’assemblage. Vis à pas variable

On connaît déjà dans des domaines autres que de celui des turbomachines des vis à pas variable.

De telles vis sont par exemple des vis sans fin utilisées dans des systèmes de mesure ou des machines d’usinage de précision pour ajuster le jeu fonctionnel de la vis de mesure et permettre une précision maximum dans le déplacement axial de la vis lorsqu’on la fait tourner.

Il s’agit donc de systèmes éloignés de celui de l’invention, tant du point de vue fonctionnel que du point de vue dimensionnel. En particulier, les vis transmettent un mouvement et non un effort et de tels systèmes ne s’intéressent pas à la transmission d’efforts axiaux aussi importants que ceux qui peuvent être rencontrés dans le cas de pièces de rotor de turbomachine.

EXPOSE DE L’INVENTION

Un but de l’invention est de proposer un assemblage mécanique pour la transmission d’efforts axiaux entre au moins deux pièces de rotor d’une turbomachine, qui permet de pallier les inconvénients d’un arbre de transmission fileté de turbomachine.

En particulier, un autre but de l’invention est de limiter le surplus de masse nécessaire à assurer la tenue mécanique du filet.

Un but également de l’invention est de proposer, dans le contexte de l’assemblage de pièces de rotor de turbomachine, une solution qui améliore la répartition des contraintes mécaniques sur les portions filetées ou les écrous en prise et qui améliore la tenue mécanique et la durée de vie desdites portions filetées et écrous en optimisant la masse.

Un autre but encore de l’invention est de proposer un procédé de réalisation parfaitement adapté à la solution proposée.

Ainsi, selon un aspect, l’invention propose un assemblage mécanique comportant deux pièces de rotor d’une turbomachine , l’une des pièces étant un arbre de compresseur, l’autre pièce étant un arbre de turbine au moins l’une de ces pièces étant un arbre du rotor et présentant une portion à filetage externe, ledit assemblage comportant en outre, , pour la transmission d’efforts axiaux entre ces deux pièces, un écrou à filetage interne apte à coopérer avec ledit filetage externe pour bloquer axialement par serrage l’autre pièce par rapport à la première pièce et permettre la transmission d’efforts axiaux entre ces deux pièces. La variation de pas d’un filet à un autre le long de la cote axiale du filetage est constante.

Le pas du filetage externe et/ou le pas de l’écrou varie(nt) le long de la cote axiale du filetage, l’espace entre le filet dudit filetage externe et le filet de l’écrou diminuant progressivement du premier filet au filet arrière dans le sens attendu pour l’effort axial.

De cette façon, la contrainte n’est plus supportée principalement par le premier filet, mais est répartie aussi sur les autres filets du filetage.

Egalement, selon un autre aspect, l’invention propose un procédé de réalisation d’un filetage à pas variable d’une portion filetée ou d’un écrou d’un tel assemblage.

Selon ce procédé, on immerge de façon progressive dans un bain d’attaque, la pièce dont le pas de filetage doit être rendu variable.

Un tel procédé a l’avantage de permettre de bien meilleures précisions que ce que permettent les usinages conventionnels.

L’invention concerne en outre une turbomachine comportant au moins deux pièces de rotor assemblées par un assemblage du type de celui revendiqué, ledit assemblage comportant en outre un jeu de cannelures pour la transmission de couple entre ces deux pièces.

Elle concerne en outre un aéronef, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un moteur qui est une turbomachine de ce type.

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 figure 1 , déjà décrite, représente de façon schématique différentes composantes d’un turboréacteur à double flux ;

• La figure 2, déjà présentée, est une vue en coupe schématique d’un assemblage mécanique entre l’arbre d’une turbine basse pression et l’arbre d’un compresseur basse pression d’un turboréacteur du type de celui présenté sur la figure 1 ;

• La figure 3 est une représentation schématique illustrant un mode de réalisation possible de l’invention ; • La figure 4 illustre un procédé de réalisation possible ;

• La figure 5 est un graphe sur lequel on a porté les courbes de répartition d’une part dans le cas d’un filetage nominal et d’autre part pour différentes valeurs de variation de pas.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

On se place dans ce qui suit dans le cas général d’un assemblage solidaire à filetage et écrou entre deux pièces de rotor d’une turbomachine, par exemple un turbomoteur d’aéronef. Cette turbomachine est par exemple, mais non limitativement, une turbomachine du type de celle de la figure 1 déjà décrite.

Les deux pièces assemblées peuvent être des pièces de rotor de tout type, en particulier, mais non limitativement, un arbre de turbine et un arbre de compresseur.

Par commodité, on a repris les références 14 et 15 déjà introduites en figure 2 pour désigner respectivement l’écrou et la portion filetée d’un tel assemblage.

Filetage à pas variable

Dans le mode de réalisation de la figure 3, la portion filetée 15 présente un pas qui varie le long de la cote axiale (flèche Ax sur la figure) des filets.

Notamment, l’épaisseur du filet augmente le long de ladite côte axiale Ax dans le sens d’où provient l’effort axial (en l’occurrence, dans l’exemple sur la figure, d’aval vers l’amont - flèche F). Les filets destinés à être du côté du talon annulaire intérieur 3a du compresseur basse pression 3 et de la butée 9b que présente l’arbre 9 sont moins épais que les filets destinés à en être les plus éloignés.

De cette façon, l’espace laissé au filet complémentaire de l’écrou diminue, ce qui permet de répartir l’effort et de charger y compris les filets « arrière » .

Ainsi lorsque le serrage de l’écrou 14 se fait, les filets « arrière » du filetage 15 et de l’écrou 14 sont en contact et sont sollicités. Ils reprennent plus d’effort qu’avec une conception classique.

Il existe en effet pour tous les assemblages par écrou un jeu fonctionnel entre les filetages mâle et femelle. Lorsque le serrage a lieu, le micro déplacement de l’écrou vient plaquer les flans des filets les uns contre les autres de façon simultanée. Le flux d’effort cherche à parcourir le moins de distance ; il concentre alors la contrainte dans les premiers filets. Dans la structure proposée, le jeu à l’arrière est plus faible qu’à l’avant, lors du serrage le contact se fait donc en premier sur les flancs arrière. Ainsi on force le flux d’effort à contourner les premiers filets pour aller charger davantage les filets arrière. Le filet avant est donc moins sollicité

Différentes géométries de profil sont envisageables pour le filet du filetage : polygonal, symétrique ou asymétrique.

Dans l’exemple de la figure 3, le filetage de la portion filetée 15 représentée est de type trapézoïdal asymétrique à 45° . Chaque section de filet présente :

- une face de reprise d’effort (en l’occurrence, face aval) faisant un angle nul par rapport à la perpendiculaire à l’axe du filetage et

- une face opposée (en l’occurrence, face amont) inclinée à 45° par rapport audit axe.

Cette géométrie est particulièrement adaptée pour la réalisation du filetage à pas variable. Elle permet de diminuer les contraintes en fond de filet.

Dans cet exemple, le pas du filetage (distance séparant la face de reprise d’effort de deux filets successifs au bout d’un tour) varie linéairement. Il diminue d’un tour à un autre d’une variation de pas V _p . C’est ce qui a été illustré par des représentations en surépaisseur sur la figure 3. Ainsi, par rapport au premier filet le long de la cote axiale Ax (filet nominal N, en l’occurrence situé le plus en amont), la face de reprise d’effort du filetage est décalée :

- d’une surépaisseur égale à 1 x V _p au filet suivant,

- d’une surépaisseur égale à 2 x V _p au troisième filet,

- d’une surépaisseur égale à 3 x V _p et 4 x V _p au quatrième et cinquième filets,

- etc...

Typiquement, le nombre de filets d’un filetage intervenant dans un assemblage de pièces de rotor d’une turbomachine est d’une dizaine (supérieur à huit, par exemple égal à douze).

La variation de pas est par exemple d’un ordre de grandeur de quelques micromètres. Notamment, dans le cas d’un arbre d’un diamètre compris entre 45 et 90 mm (par exemple de l’ordre de 50 mm), la variation de pas Vp est avantageusement comprise entre 1 et 5 pm/pas, préférentiellement supérieure à 2 pm/pas, par exemple égale à 3 pm/pas ou au-delà.

En tout état de cause, la variation de pas est inférieure à la tolérance acceptée sur le pas d’un filetage dans ce type d’application, ladite tolérance étant quant à elle de l’ordre de plusieurs dizaines de pm (le pas des filets étant quant à lui de l’ordre de quelques dixièmes de millimètres).

En variante, la variation de pas V _p peut ne pas être constante.

Le pas peut alors diminuer de façon non linéaire le long de la cote axiale Ax du filetage.

On s’est placé dans ce qui précède dans le cas où la diminution - dans le sens d’application de l’effort - de l’espace entre les filets de l’écrou et les filets de la portion filetée complémentaire (en l’occurrence, l’arbre) est obtenue grâce à la variation du filetage de la portion filetée de l’arbre.

En variante, bien entendu, cette diminution peut être obtenue par variation de pas du filetage de l’écrou ou encore par variation de pas à la fois du filetage de la portion filetée de l’arbre et du filetage de l’écrou.

Réalisation du filetage à pas variable

Différents procédés sont envisageables pour la réalisation du filetage à pas variable.

Notamment, le filetage à pas variable peut être réalisé de façon mécanique.

Pour atteindre les précisions souhaitées, une réalisation par attaque chimique acide est préférée.

A cet effet, ainsi qu’illustré sur la figure 4, on immerge de façon progressive la pièce dont le filetage doit être rendue variable (pièce 15 en l’occurrence) dans un bain d’attaque 18. La vitesse de progression est adaptée pour obtenir la variation d’épaisseur souhaitée sur les filets (référencés 19a à 19c).

Chaque filet 19a à 19c est ainsi immergé dans le bain pendant une durée qui est adaptée pour dissoudre la matière et retirer progressivement la surépaisseur souhaitée pour chaque tour de filet.

Les filets 19a non immergés sont au profil nominal de la pièce filetée initiale.

Les filets intermédiaires 19b sont plus fins que le profil nominal.

Les filets 19c restés encore plus longtemps dans le bain sont encore plus fins.

Par exemple, dans le cas d’une variation de pas constante, la vitesse de progression dans le bain d’acide est constante.

Une fois les filets arrières atteints, on sort la pièce et on la rince et sèche le filetage externe 15 ou l’écrou 14 afin d’éliminer les résidus chimiques. Typiquement, un masque peut être appliqué sur des zones de filetage qu’on ne souhaite pas décaper lors de ce processus. Dans un mode de réalisation, le masque peut être appliqué sur l’ensemble de filets de la portion filetée 15, sauf sur les faces de reprise d’effort (filets numéros 1 et 2 des courbes V _{p1 et} V _p3 sur la figure 5).

Dans ce cas, le masque est enlevé après l’étape de rinçage.

Par rapport à des procédés purement mécaniques, un tel procédé par attaque chimique a l’avantage de permettre de meilleures précisions et d’être industriellement parfaitement maîtrisé.

Modélisation - Résultats

Une étude de modélisation des éléments finis est réalisée sur un cas du filetage écrou 14. Les 3 cas suivants sont réalisés et présentés :

• Un calcul au nominal (V _p = 0 pm/pas), présentant le profil de filetage standard

• Un calcul avec une variation de pas V _p = 1 pm/pas

• Un calcul avec une variation de pas V _p = 3 pm/pas

En référence à la figure 5, la répartition des contraintes de Von Mises en MPa est présentée en fonction du numéro de filet, selon les variations de pas (filet à pas constant nominal (courbe No), variation de pas égale à V _p = 1 pm/pas (courbe V _p1 ), variation de pas égale à 3 pm/pas (courbe V _p3 ).

Les évolutions des contraintes sont les plus significatives pour le premier filet (filet F1 de profil N normalisé) : les contraintes diminuent lorsque l’on augmente la variation de pas (le long de l’axe Ax) : 1776 MPa pour le cas nominal, 1550 MPa pour 1 pm/pas, 1249 MPa pour 3 pm/pas. Cette diminution des contraintes présente 30 % d’allégement des contraintes supportées par le premier filet lorsque l’on compare le cas du 3 pm/pas par rapport au cas nominal.

Les filets numérotés entre 2 et 11 supportent quant à eux plus de contraintes lorsque la variation de pas est plus élevée.

• Pour le cas nominal, la contrainte supportée par le filet numéro 2 est à 1080 MPa et celle supportée par le filet numéro 10 est à 400 MPa. La valeur de contrainte stagne entre le filet numéro 10 et 11 .

• Pour une variation de pas de 1 pm/pas, la décroissance a lieu entre le filet numéro 2 (1000 MPa) et le filet numéro 9 (500MPa). Une légère augmentation des contraintes est observée entre le filet numéro 9 et le filet numéro 1 1 (560 MPa). • Pour une variation de pas de 3 pm/pas, la contrainte est quasi-constante : autour de à 900 MPa du filet 2 au filet 11.

Ainsi, une variation de pas constante de 3 pm/pas permet de mieux répartir les contraintes sur l’ensemble de filets par rapport au cas nominal.

Ceci permet d’améliorer la tenue des filets et la durée de vie de l’assemblage.

On notera en outre que cette meilleure répartition des contraintes permet en outre d’être plus prédictif lors de l’analyse de la tenue mécanique des filetages et de leur durée de vie.

Le procédé de réalisation proposé a en outre quant à lui l’avantage de permettre de diminuer les non-conformités non acceptables en production (fabrication plus robuste).