ROTOR

DOMAINE DE L'INVENTION

[0001] Le présent exposé concerne un rotor pour turbomachine et une turbomachine comprenant ce rotor.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE

[0002] Dans le domaine des turbomachines, notamment aéronautiques ou aérospatiales, la recherche du meilleur rendement possible au moindre coût est une préoccupation constante des constructeurs.

[0003] En vue d'obtenir le meilleur rendement possible, le profil aérodynamique ou hydraulique des pales du rotor de la turbomachine est le plus souvent conçu pour être optimal à un point de fonctionnement particulier de la turbomachine, lequel point de fonctionnement est généralement un point de fonctionnement nominal de la turbomachine.

[0004] Afin de garantir l'intégrité structurelle de la turbomachine, les sollicitations dynamiques que subit la turbomachine à ce point de fonctionnement nominal sont étudiées très soigneusement, et ce afin de garantir qu'il n'existe aucune fréquence propre de la turbomachine qui pourrait être excitée à ce point de fonctionnement nominal.

[0005] Toutefois, en utilisation réelle, la turbomachine doit passer par une phase de montée en régime entre l'arrêt complet et le point de fonctionnement nominal.

[0006] Jusqu'ici, il s'est avéré extrêmement difficile, et même souvent impossible, de garantir qu'aucune fréquence propre de la turbomachine n'existe entre l'arrêt complet et le point de fonctionnement nominal. En pratique, on est donc contraint de permettre à la turbomachine de subir très brièvement, pendant cette phase de montée en régime, des excitations vibratoires liées au passage par une ou plusieurs fréquences propres de la turbomachine. Pour garantir que l'intégrité structurelle de la turbomachine n'est pas compromise par ces excitations vibratoires, on est contraint de procéder à des essais partiels, par exemple de type « ping- test » et/ou réponse forcée, et à des essais de fonctionnement de la turbomachine complète. Ces essais sont très coûteux en temps et en argent, au moins parce qu'ils nécessitent l'utilisation de bancs d'essai dédiés.

[0007] Il existe donc un réel besoin pour un nouveau type de turbomachine qui permette de limiter le nombre des essais mentionnés ci- dessus, voire même de les éviter entièrement.

PRÉSENTATION DE L'INVENTION

[0008] À cet effet, le présent exposé concerne un rotor pour turbomachine comprenant :

un disque apte à être monté sur un arbre de la turbomachine ; et une pluralité de pales fixées au disque,

dans lequel :

chaque pale de la pluralité de pales est fixée au disque via une structure maillée configurée de sorte qu'un effort de traction appliqué à la structure maillée induise un changement de l'angle d'incidence de la pale ; et

les pales et les structures maillées sont configurées de sorte que lorsque le rotor est immobile, la répartition des angles d'incidence des pales autour du disque est apériodique.

[0009] Le fait que la répartition des angles d'incidence des pales autour du disque soit apériodique lorsque le rotor est immobile désaccorde la structure constituée du disque et des pales et tend ainsi à diminuer le nombre de modes propres critiques, excitables par de faibles niveaux d'énergie. Ainsi, le nombre de phases d'excitation vibratoires que traverse la turbomachine pendant sa phase de montée en régime et l'amplitude des réponses dynamiques correspondantes peuvent être diminués, ce qui diminue d'autant le nombre d'essais à réaliser pour garantir l'intégrité structurelle de la turbomachine. Il est même possible qu'aucune fréquence propre du rotor n'existe pendant cette phase de montée en régime, auquel cas aucun essai de ce type n'est à réaliser. Le coût total du rotor et de la turbomachine est donc diminué.

[0010] On notera en outre que, en raison de la configuration particulière des structures maillées, le changement d'angle d'incidence des pales s'effectue de lui- même, grâce à l'effort centrifuge dû la vitesse de rotation du rotor, à mesure que cette vitesse de rotation augmente. Il n'est donc aucunement nécessaire de prévoir un système mécanique de commande de l'angle d'incidence des pales. En outre, le l'angle d'incidence des pales étant directement lié à la vitesse de rotation du rotor, il n'est pas nécessaire de prévoir de système d'asservissement supplémentaire pour commander la vitesse de rotation du rotor en fonction du point de fonctionnement désiré de la turbomachine. Il en résulte un gain en coût et en simplicité de la turbomachine, et aussi un gain en fiabilité, car le nombre de systèmes à prévoir dans la turbomachine est plus faible. Ceci est particulièrement avantageux lorsque la turbomachine est une turbopompe à ergol cryogénique ou une pompe pour turbopompe à ergol cryogénique.

[0011] Dans certains modes de réalisation, les pales et les structures maillées sont configurées de sorte que, lorsque le rotor est immobile, les angles d'incidence des pales sont fixés à une valeur choisie parmi deux valeurs prédéterminées.

[0012] Dans certains modes de réalisation, les pales et les structures maillées sont configurées de sorte que, lorsque le rotor est immobile, les angles d'incidence des pales sont fixés à une valeur choisie parmi trois valeurs prédéterminées.

[0013] Le nombre d'angles d'incidence possibles étant limité, la fabrication du rotor est simplifiée. [0014] Dans certains modes de réalisation, les pales et les structures maillées sont configurées de sorte que, lorsque le rotor est immobile, les angles d'incidence des pales sont tous différents les uns des autres.

[0015] De cette manière, le rotor ne présente aucune symétrie qui pourrait donner lieu à l'apparition d'une fréquence propre de la turbomachine imputable aux pales. Il est donc plus aisé encore de garantir qu'aucune fréquence propre de la turbomachine n'existe pendant la phase de montée en régime.

[0016] Dans certains modes de réalisation, les pales et les structures maillées sont configurées de sorte que, lorsque le rotor tourne à une vitesse de rotation prédéterminée, les angles d'incidence des pales sont identiques.

[0017] Le fait que les angles d'incidence des pales soient identiques à la vitesse de rotation prédéterminée permet d'obtenir un rendement optimal à cette vitesse de rotation prédéterminée, laquelle peut être choisie pour correspondre à un point de fonctionnement nominal de la turbomachine.

[0018] Dans certains modes de réalisation, le rotor est fabriqué d'un seul tenant par fabrication additive.

[0019] Ceci permet de diminuer le nombre d'opérations nécessaire à la fabrication du rotor, ce qui est intéressant du point de vue économique et industriel.

[0020] Dans certains modes de réalisation, le rotor est fabriqué d'un seul tenant par fusion sur lit de poudres d'un unique alliage métallique.

[0021] Ceci permet de simplifier la conception et la mise en œuvre de la fabrication du rotor.

[0022] Le présent exposé concerne aussi une turbomachine comprenant le rotor de turbomachine décrit ci-dessus. [0023] La turbomachine peut être une turbine pour turbopompe à ergol cryogénique ou une pompe pour turbopompe à ergol cryogénique.

[0024] La turbomachine peut être une turbine ou un compresseur pour turboréacteur ou turbopropulseur.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

[0025] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :

- la figure 1 est une vue en perspective d'une turbomachine comprenant un rotor ;

- la figure 2A est une vue de face du détail II de la figure 1 lorsque la turbomachine est à l'arrêt et le rotor est immobile ;

- la figure 2B est une vue de dessus de la figure 2A ;

- la figure 2C est une vue analogue à la figure 2B lorsque la turbomachine est en fonctionnement et le rotor tourne à une vitesse de rotation prédéterminée ;

- la figure 3A est une vue illustrant schématiquement la configuration d'une structure maillée présente dans le rotor ;

- la figure 3B est un graphe représentant schématiquement la relation entre un effort de traction appliqué à la structure maillée de la figure 3A et l'angle de rotation induit par cet effort de traction.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

[0026] Un mode de réalisation d'une turbomachine comprenant un rotor va être décrit en référence aux figures 1 à 3.

[0027] La figure 1 représente en perspective une turbomachine 50. De manière connue, la turbomachine 50 comprend un carter 100 et un rotor 14 disposé à l'intérieur du carter 100. Le rotor 14 comprend un disque 16 apte à être monté sur un arbre (non représenté) de la turbomachine 50, de sorte que le disque 16 (et par conséquent le rotor 14) peuvent tourner à une vitesse de rotation w autour d'un axe principal P de la turbomachine 50.

[0028] De manière connue, le rotor 14 comprend aussi une pluralité de pales 10 fixées au disque 16, typiquement le long de toute la circonférence du disque 16. Il en résulte que, lorsque le rotor 14 tourne autour de l'axe principal P, un échange d'énergie se produit entre le rotor 14 d'une part, et un fluide de travail s'écoulant au sein de la turbomachine 50 dans une direction d'écoulement D d'autre part. Selon le sens de cet échange d'énergie, la turbomachine 50 fournit de l'énergie au fluide de travail ou reçoit de l'énergie du fluide de travail. On précise ici que, au sens du présent exposé, le terme « turbomachine » englobe aussi bien les turbomachines fournissant de l'énergie à un fluide de travail (telles que les pompes ou les compresseurs) que les turbomachines recevant de l'énergie d'un fluide de travail (telles que les turbines). On précise encore ici que le terme « fluide » englobe tout type de fluide, y compris un gaz ou un mélange de gaz. La turbomachine 50 peut notamment être une turbine pour turbopompe à ergol cryogénique, ou une pompe pour turbopompe à ergol cryogénique, ou une turbine ou un compresseur pour turboréacteur ou turbopropulseur.

[0029] Chaque pale 10 est fixée au disque 16 via une structure maillée 13. Les structures maillées (également connues sous le nom de « lattice structures » en anglais) sont connues en soi. On rappelle seulement ici qu'une structure maillée est un élément structurel, souvent métallique, qui comprend un réseau de mailles, lequel réseau est obtenu par répétition périodique d'un ou plusieurs motifs. Ces structures maillées permettent de conférer des propriétés mécaniques particulières, de par leurs orientations préférentielles (anisotropies locales), et présentent une bonne résistance à l'endommagement.

[0030] Les méthodes de fabrication de structures maillées sont connues en soi. On connaît notamment des méthodes de fabrication par pliage ou par tissage. On pourra par exemple se référer au document « Multifunctional periodic cellular metals », H.N.G Wadley, Phil. Trans. R. Soc. A 2006 364 31-68 (DOI: 10.1098/rsta.2005.1697). Les structures maillées peuvent également être fabriquées par des méthodes de fabrication additive. On pourra par exemple se référer à l'ouvrage « Cellular Design for Laser Freeform Fabrication », O. Rehme, Cuvillier Verlag, 2010 (ISBN: 9783869552736), ou au document « Design and Development of Cellular Structure for Additive Manufacturing », N. P. Biranchi, thèse, National Institute of Technology Rourkela, 2015.

[0031] Chaque structure maillée 13 du rotor 14 est configurée de sorte qu'un effort de traction appliqué à la structure maillée 13 induise un changement de l'angle d'incidence de la pale 10 correspondante. On rappelle que, dans une turbomachine, l'angle d'incidence d'une pale est l'angle entre le profil aérodynamique ou hydrodynamique de la pale et la direction d'écoulement du fluide de travail au sein de la turbomachine. Dans le cas présent, l'angle d'incidence (noté dans la suite Q) de la pale 10 est donc l'angle entre le profil de la pale 10 et la direction d'écoulement D.

[0032] Les structures maillées capables de transformer un effort de traction en un changement d'angle sont connues en soi.

[0033] La figure 3A illustre schématiquement la configuration d'une structure maillée 13. La structure maillée 13 est fixée à son extrémité proximale au disque 16, et à son extrémité distale à une pale 10, de sorte que, comme indiqué précédemment, la pale 10 est fixée au disque 16 via la structure maillée 13. Lorsque le disque 16 tourne autour de l'axe principal P, l'extrémité proximale subit un effort de traction o _R dû à la force centrifuge s'exerçant sur le disque 16, lequel effort de traction o _R est proportionnel au carré de la vitesse de rotation w du disque 16 (c'est-à- dire que o _R est proportionnel à w ² ). Grâce à la configuration de la structure maillée 13, en raison de l'effort de traction o _R , l'extrémité distale subit une rotation d'angle cp. Cette rotation se produit le plus souvent autour de l'axe R reliant l'axe principal P à la structure maillée 13. En tout état de cause, en raison de cette rotation, l'angle d'incidence Q de la pale 10 est modifié.

[0034] Comme cela est connu pour les structures maillées du type décrit ici, l'angle de rotation f est d'autant plus grand que l'effort de traction o _R est grand, comme représenté sur la figure 3B. En outre, comme représenté sur la figure 3B, il existe en général une plage d'effort de traction o _R (représentée en trait plein sur le graphe de la figure 3B) dans laquelle l'angle de rotation f est proportionnel à l'effort de traction OR. Le coefficient de proportionnalité (aussi connu sous le nom de « raideur ») est noté ici Ef.

[0035] Les pales et les structures maillées du rotor 14 sont configurées de sorte que, lorsque le rotor 14 est immobile (autrement dit lorsque w = 0), la répartition des angles d'incidence des pales autour du disque 16 est apériodique. Au sens du présent exposé, le fait que la répartition des angles d'incidence des pales autour du disque 16 est apériodique signifie que, lorsque l'on considère successivement les N pales 10-1, ..., 10-N du disque 16 en parcourant la circonférence du disque 16 dans un sens donné, la suite 01, ..., QN des angles d'incidence de chaque pale considérée n'est pas une suite périodique. Ainsi, si, lorsque le rotor 14 est immobile, toutes les pales présentent le même angle d'incidence, ou bien toutes les pales présentent alternativement deux angles d'incidence distincts QA, QB, la répartition des angles d'incidence des pales autour du disque 16 n'est pas apériodique. Inversement, à titre d'illustration, si le disque 16 présente cinq pales 10-A, 10-B, 10-C, 10-D, 10-E présentant des angles d'incidence QA, QB, 0C, 0D, QE lorsque le rotor 14 est immobile avec QA = 0C et OA, QB, 0D, QE tous distincts entre eux, alors la répartition des angles d'incidence des pales 10-A, 10-B, 10-C, 10- D, 10-E autour du disque 16 est apériodique. [0036] Le fait que la répartition des angles d'incidence des pales 10-

1, 10-N autour du disque 16 soit apériodique lorsque le rotor est immobile tend à diminuer le nombre de modes propres critiques de la turbomachine 50, excitables par de faibles niveaux d'énergie. Ainsi, le nombre de phases d'excitation vibratoires que traverse la turbomachine 50 pendant sa phase de montée en régime peut être diminué, ce qui diminue d'autant le nombre d'essais à réaliser pour garantir l'intégrité structurelle de la turbomachine 50. Le coût total du rotor 14 et de la turbomachine 50 est donc diminué.

[0037] On notera que l'angle d'incidence de chaque pale 10-1, 10-N lorsque le rotor 14 est immobile peut être modifié en changeant la structure du réseau de la structure maillée 13-1, ..., 13-N correspondante, la raideur Ef de la structure maillée 13-1, ..., 13-N correspondante, la position de la pale 10-1 ..., 10-N par rapport à la structure maillée 13-1, ..., 13-N correspondante, l'orientation spatiale de la structure maillée 13-1, ..., 13-N correspondante, ou une combinaison de ces grandeurs.

[0038] Dans certains modes de réalisation, les pales et les structures maillées du rotor 14 sont configurées de sorte que, lorsque le rotor 14 est immobile, les angles d'incidence des pales sont fixés à une valeur choisie parmi deux ou trois valeurs prédéterminées, pourvu que la répartition des angles d'incidence des pales autour du disque 16 soit toujours apériodique. Le nombre d'angles d'incidence possibles étant limité, la fabrication du rotor 14 est simplifiée.

[0039] Dans d'autres modes de réalisation, les pales et les structures maillées du rotor 14 sont configurées de sorte que, lorsque le rotor 14 est immobile, les angles d'incidence des pales sont tous différents les uns des autres.

[0040] Les figures 2A et 2B illustrent schématiquement un tel mode de réalisation. Ainsi, sur ces figures, on a représenté cinq pales 10-1, 10-

2, 10-3, 10-4, 10-5 chacune fixée au disque 16 via une structure maillée 13-1, 13-2, 13-3, 13-4, 13-5. Lorsque le rotor 14 est immobile (autrement dit lorsque w = 0), les angles d'incidence Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 des pales 10- 1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5 sont tous différents les uns des autres. Il va sans dire le rotor 14 peut comprendre un nombre quelconque de pales, ce nombre étant souvent en pratique bien supérieur à cinq. Dans certains modes de réalisation, les raideurs Ei des structures maillées 13-1, 13-2, 13-3, 13-4, 13-5 peuvent être toutes différentes les uns des autres.

[0041] Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, les pales et les structures maillées du rotor 14 peuvent être configurées de sorte que, comme représenté sur la figure 2C, lorsque le rotor 14 tourne à une vitesse de rotation w prédéterminée, les angles d'incidence des pales sont identiques, c'est-à-dire tous égaux à une valeur prédéterminée Onom. Ainsi, à la vitesse de rotation w prédéterminée, l'écoulement du fluide de travail est homogène et le rendement est optimal.

[0042] Dans certains modes de réalisation, les pales et les structures maillées du rotor 14 sont configurées de sorte qu'aucune fréquence propre de la turbomachine 50 n'existe à une vitesse de rotation inférieure à la vitesse de rotation w prédéterminée. La vitesse de rotation w prédéterminée peut être choisie pour correspondre à un point de fonctionnement particulier de la turbomachine 50, lequel est par exemple un point de fonctionnement nominal de la turbomachine 50. La valeur prédéterminée Onom peut être choisie pour assurer un rendement optimal à ce point de fonctionnement.

[0043] Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, toutes les pales 10 du rotor 14 sont fixées au disque 16 via une structure maillée 13. Toutefois, dans certains modes de réalisation, certaines pales du rotor 14 peuvent ne pas être fixées au disque 16 via une structure maillée, tant que les pales qui sont fixées au disque 16 via une structure maillée sont telles que, lorsque le rotor 14 est immobile, la répartition des angles d'incidence de ces pales autour du disque 16 est apériodique. [0044] Le rotor 14 peut être fabriqué d'un seul tenant par fabrication additive. Lorsque le rotor 14 est fabriqué d'un seul tenant par fabrication additive, l'impact des structures maillées 13 sur la masse totale du rotor 14 est diminué.

[0045] Dans certains modes de réalisation, le rotor 14 est fabriqué d'un seul tenant par fusion sur lit de poudres, de préférence par fusion sur lit de poudres d'un unique alliage métallique. Les méthodes de fabrication additive par fusion sur lit de poudres sont connues en soi. Il peut s'agir par exemple d'une fusion sélective par laser (désignée par les appellations « Sélective Laser Melting » (SLM), « Direct Métal Laser Sintering » (DLMS), et « Layer Beam Melting » (LBM) en anglais), d'une fusion par faisceau d'électrons (« Electron Beam Melting » (EBM) en anglais), ou encore de méthodes dérivées.

[0046] Dans certains modes de réalisation, le rotor 14 est fabriqué d'un seul tenant par frittage sélectif par laser. Les méthodes de frittage sélectif par laser (désignées par l'appellation « Sélective Laser Sintering » (SLS) en anglais) sont connues en soi. Par exemple, le rotor 14 est fabriqué d'un seul tenant par frittage sélectif par laser d'un unique alliage métallique sous forme de poudre.

[0047] En fabriquant le rotor 14 d'un seul tenant par fabrication additive, il n'est plus nécessaire de fixer individuellement les pales 10 au disque 16 comme dans les rotors conventionnels. On diminue donc le nombre d'opérations nécessaire à sa fabrication, ce qui est intéressant du point de vue économique et industriel. De préférence, les mailles des structures maillées 13 sont autoportantes, c'est-à-dire réalisables par fabrication additive sans qu'il ne soit nécessaire de prévoir des supportages sous les mailles (autrement dit, pendant la fabrication additive, les mailles servent elles-mêmes de support). Dans ce cas, le nombre d'opérations nécessaire à la fabrication du rotor 14 est encore diminué, puisqu'il n'est pas nécessaire de retirer des supportages après la fabrication du rotor 14.

[0048] Le fait de fabriquer le rotor 14 entier par fusion sur lit de poudres d'un unique alliage métallique permet de simplifier la conception et la mise en œuvre de la fabrication du rotor 14, notamment parce qu'il n'est pas nécessaire de tenir compte des différences de propriétés mécaniques et de points de fusion de différents alliages métalliques.

[0049] L'alliage métallique peut être tout alliage adapté pour la réalisation d'un rotor pour turbomachine. Par exemple, l'alliage métallique est un acier, un acier inoxydable, un alliage à base de nickel (Ni), par exemple un alliage de type Inconel®, ou bien un alliage à base de titane (Ti), par exemple le TÏ6AI4V.

[0050] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, des modifications peuvent être apportées à ces exemples sans sortir de la portée générale de l’invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.