ET FATIGUE OLIGOCYCLIQUE

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un banc d'essai combinant sollicitation tribologique haute fréquence et fatigue oligocyclique, aussi connu sous le nom d'essai en fretting fatigue, ce banc d'essai étant destiné à reproduire une attache aube-disque de turbomachine

ETAT DE L'ART

De nombreuses pièces de turbomachine sont soumises à des sollicitations complexes superposant sollicitations polycyclique (vibratoire) et oligocyclique. La caractérisation devient très complexe lorsque se rajoute une sollicitation tribologique comme pour une attache aube-disque.

C'est le cas pour une aube de turbine, qui est sollicitée par un effort centrifuge dû à la rotation de la turbine, un effort vibratoire dû à l'environnement et à sa mise en résonance. Ces deux sollicitations entraînent un glissement du pied d'aube sur les portées latérales de l'alvéole du disque, dans laquelle est engagé le pied d'aube. La connaissance de cet aspect tribologique est primordiale car le pied d'aube est alors soumis à un endommagement du type fretting fatigue. Ce domaine de sollicitation est encore peu étudié mais sa connaissance et la maîtrise des risques liés sont un enjeu majeur pour les années à venir.

Pour palier à cette lacune, on caractérise et on étudie ces contacts par le biais d'essais très simplifiés, a des fréquences très différentes de celles vues pas les pièces de la turbomachine, parfois même a des températures beaucoup plus faibles en ne sollicitant les surfaces de contact que par un cycle de glissement alternatif simple alors que plusieurs types de sollicitation se superposent.

Dans le cadre de l'étude des endommagements en fretting fatigue, on distingue dans la technique actuelle deux différentes familles de moyens expérimentaux :

1 / les essais de fretting fatigue dits conventionnels, visant une étude pointue du contact avec une parfaite maîtrise des conditions locales appliquées au contact entre les éprouvettes. En général, ces essais sont très instrumentés et permettent d'avoir accès aux grandeurs tribologiques importantes (déplacement, coefficient de frottement, etc.), et 21 les essais de fretting fatigue technologiques, visant à se rapprocher au mieux de l'application et de la sollicitation à étudier. Par rapport aux précédents, ceux-ci perdent en instrumentation mais gagnent en représentativité.

Les essais de fretting fatigue conventionnels sont réalisés sur des éprouvettes de géométrie standard très éloignées de l'application attache aube/disque et ne permettent pas de combiner les sollicitations précédemment décrites. Nous retrouvons en général des moyens d'essai capables d'atteindre des fréquences maximales de 1 00 Hz et ne combinant pas des cycles oligocyclique et polycyclique à haute température.

Lorsque les moyens d'essai visent à reproduire une géométrie de contact proche d'une attache aube-disque, en général monolobe, ces moyens sont également limités en termes de combinaison des sollicitations. Ces moyens d'essai ne sont pas non plus configurés pour combiner des cycles oligocyclique et polycyclique à haute température.

Le moyens d'essai de la technique antérieure, mêmes ceux dédiés à des essais d'usure de contact et en fatigue, ne permettent donc pas d'analyser de manière fiable une attache aube-disque de turbomachine et représentative d'une attache réelle en condition de fonctionnement.

La présente invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème.

EXPOSE DE L'INVENTION

L'invention propose un banc d'essai combinant sollicitation tribologique haute fréquence et fatigue oligocyclique, comprenant une première éprouvette fixée à un bâti et définissant au moins une surface d'appui, et une deuxième éprouvette qui est reliée à des moyens de traction pour solliciter la deuxième éprouvette en appui sur la ou chaque surface d'appui de la première éprouvette et réaliser un essai en fatigue oligocyclique, l'une des éprouvettes comprenant une partie ayant la forme d'un pied d'aube de rotor de turbomachine et étant engagée dans une rainure de forme sensiblement complémentaire de l'autre des éprouvettes pour reproduire une attache aube-disque de turbomachine, le banc comprenant en outre des moyens de chauffage des éprouvettes et des moyens de sollicitation vibratoire des éprouvettes pour réaliser un essai en fretting fatigue, et étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de réglage de la position des éprouvettes autour d'un axe parallèle à l'axe de traction, et des moyens de blocage de ces éprouvettes dans une position autour de cet axe.

L'éprouvette ayant la partie en forme de pied d'aube est par exemple reliée aux moyens de traction, et l'autre éprouvette comportant la rainure est alors fixée au bâti. L'invention vise ainsi à proposer un banc d'essai expérimental inédit, en permettant de caractériser une attache aube-disque soumise à une sollicitation de fretting fatigue, combinant un cycle oligocyclique représentant un vol moteur (effort centrifuge), un cycle polycyclique représentant les vibrations issues du fonctionnement de l'aéronef et du moteur en assurant un glissement entre les surfaces d'appui. Une particularité de l'invention est de permettre de se rapprocher au mieux des modes de sollicitation vibratoire de l'aube parfois complexes et à fréquences élevées, ainsi que des conditions thermiques réelles d'utilisation de l'aube, tout en assurant et en maîtrisant un glissement dans les zones de contact.

Enfin la possibilité de réglage et de blocage de la position des éprouvettes autour d'un axe parallèle à l'axe de traction permet de régler le sens de sollicitation et par conséquent d'atteindre des modes de résonnance complexes pouvant combiner flexion et torsion par exemple.

L'invention permet donc de reproduire au mieux les conditions vues par une aube de rotor en fonctionnement.

Les éprouvettes peuvent être réalisées dans des matériaux identiques ou différents. Dans le cas où elles sont réalisées dans des matériaux différents, le banc d'essai permet de caractériser les couples de matériaux en contact.

Les moyens de chauffage peuvent permettre de chauffer les éprouvettes jusqu'à une température de 800 ° C environ, c'est-à-dire juscu'à une température représentant les conditions réelles d'utilisation d'un pied d'aube de rotor de turbomachine.

Avantageusement, le banc d'essai est configuré de façon à ce que la partie en forme de pied d'aube de la première éprouvette et la rainure de la deuxième éprouvette soient situées dans un ventre d'un premier mode de vibration du banc. Ceci permet de maximiser les amplitudes de glissement et de déformation des éprouvettes.

La partie en forme de pied d'aube a de préférence une forme et des dimensions proches de celles d'une aube réelle de rotor de turbomachine, de façon à reproduire le plus fidèlement possible une attache aube-disque. Les éprouvettes peuvent être dimensionnées pour être compatibles avec des tailles de bruts de monocristaux disponibles. Ceci permet de caractériser ces monocristaux et d'envisager l'étude des paramètres d'usinage et géométrique sur le comportement d'un couple de matériaux (influence des jeux dans l'attache aube-disque, santé métallurgique superficielle, etc.). L'éprouvette comportant la rainure est de préférence suffisamment rigide afin d'éviter une déformation trop importante de celle-ci du fait des sollicitations mécaniques importantes auxquelles elle est soumise.

Les moyens de sollicitation peuvent comprendre un pot vibrant qui sollicite une partie du banc jusqu'à une fréquence de 2000Hz environ, et de préférence comprise entre 1000 et 2000Hz. Le banc permet ainsi de travailler à des fréquences élevées proches des fréquences propres d'une aube de rotor. Les fréquences propres des éprouvettes peuvent être modifiées par un redimensionnement adapté des moyens d'excitation.

Avantageusement, l'une des éprouvettes est reliée au bâti par une pièce en forme de I à partie médiane flexible, et l'autre des éprouvettes est reliée aux moyens de traction par une autre pièce en forme de I à partie médiane flexible. Les pièces en I sont destinées à être excitées par les moyens de sollicitation. Par le calcul et l'adaptation de leur moment d'inertie dans le sens de l'excitation vibratoire, il est possible de modifier les modes propres de la ligne d'amarrage et ainsi de balayer des domaines de fonctionnement de l'attache aube-disque très larges.

Les moyens de réglage et de blocage peuvent comprendre des vis qui servent également à la fixation des éprouvettes aux pièces en I.

La partie de l'éprouvette en forme de pied d'aube peut être du type en queue d'aronde (monolobe) ou en sapin (trilobé).

La présente invention concerne également un procédé de mise en œuvre d'un banc d'essai d'usure de contact et en fatigue, ce banc d'essai comprenant une éprouvette reliée à des moyens de traction et comportant une partie ayant la forme d'un pied d'aube de rotor de turbomachine, et une autre éprouvette fixée à un bâti et comportant une rainure de réception de ladite partie en forme de pied d'aube, cette rainure étant sensiblement complémentaire à cette partie et définissant au moins une surface d'appui de cette partie, comprenant une étape consistant à soumettre simultanément les deux éprouvettes à un chauffage et à des sollicitations en traction et vibratoires pour un essai en fretting fatigue et fatigue oligocyclique et polycyclique. Le procédé est remarquable en ce qu'il comprend, avant l'étape précédente, une étape de réglage et de blocage de la position des éprouvettes autour d'un axe parallèle à l'axe de traction.

DESCRIPTION DES FIGURES

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 et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue très schématique de l'attache d'un pied d'aube dans une rainure d'un disque de rotor d'une turbomachine,

- la figure 2 est une vue très schématique d'un banc d'essai selon l'invention,

- la figure 3 est une vue schématique d'un autre banc d'essai selon l'invention,

- la figure 4 est une vue schématique partielle en perspective des éprouvettes d'un banc d'essai selon l'invention,

- les figures 5 et 6 sont des vues schématiques en perspective des éprouvettes de la figure 4,

- la figure 7 est une vue schématique en perspective des éprouvettes d'un autre banc d'essai selon l'invention,

- la figure 8 est une vue schématique en perspective d'un des éprouvettes de la figure 7, et

- la figure 9 est une vue schématique en perspective des moyens de fixation d'une éprouvette à une pièce en I du banc de la figure 3.

DESCRIPTION DETAILLEE

On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente de manière schématique une attache aube-disque d'une turbomachine, l'aube 10 étant une aube de rotor comportant un pied 12 qui est engagé dans une rainure 14 de la périphérie d'un disque 16, ce disque comportant une rangée annulaire de rainures 14 de ce type de réception des pieds de plusieurs aubes. L'ensemble formé par le disque 16 et les aubes 10 forment une roue de rotor par exemple d'une turbine de la turbomachine. Le pied 12 est ici en queue d'aronde.

En fonctionnement, l'aube 10 est soumise à des forces centrifuges (flèche 18) et sa pale a tendance à osciller (flèche 20), ce qui provoque l'appui et le glissement des parties latérales appelées filets du pied d'aube 12 sur des portées 22 latérales de la rainure 14 du disque. Les flèches 24 représentent des efforts normaux qui s'appliquent sur les surfaces en regard du pied d'aube 12 et de la rainure 14, et les flèches 26 désignent des efforts de cisaillement qui s'appliquent sur ces surfaces.

La figure 2 représente de manière schématique un mode de réalisation d'un banc d'essai selon l'invention, qui est conçu pour reproduire une attache aube-disque soumis à un chargement de fatigue oligocyclique (LCF : Low Cycle Fatigue) et polycyclique (HCF :

High Cycle Fatigue).

Le banc d'essai 100 comprend une première partie 102 reliée à des moyens de traction (flèche 104), et une deuxième partie 106 reliée à un bâti 108 fixe. La première partie 102 comprend une éprouvette mâle 1 10 qui comprend une partie 1 12 conformée en pied d'aube et qui est reliée aux moyens de traction. Ces moyens de traction comprennent par exemple un vérin dont l'extrémité libre de la tige est reliée à l'éprouvette 1 10 et dont le cylindre est porté par une partie fixe du banc d'essai 100. Ce vérin est de préférence orienté parallèlement à un axe d'allongement de l'éprouvette mâle 1 10 et a pour but de reproduire les forces centrifuges auxquelles une aube de rotor est soumise en fonctionnement.

La deuxième partie 106 du banc d'essai 100 comprend une éprouvette femelle 1 14 comportant une rainure 1 16 d'engagement de la partie 1 12 précitée de l'éprouvette 1 10.

Au moins un des moyens 1 18, 120 de liaison de l'éprouvette mâle 1 10 aux moyens de traction et de l'éprouvette femelle 1 14 au bâti 108 est sollicité par des moyens 122 d'excitation, tels qu'un pot vibrant, destinés à soumettre l'attache aube-disque à des vibrations hautes fréquences (1000Hz-2000Hz - flèche 124) destinées à reproduire les vibrations auxquelles une aube de rotor est soumise en fonctionnement. De plus, le banc d'essai selon l'invention comprend des moyens 126 de chauffage de l'attache aube- disque, jusqu'à une température de 800 ° C par exempe.

Comme cela est visible en figure 3, chacun de ces moyens de liaison comprend une pièce 1 18, 120 en forme de I. Chaque pièce 1 18, 120 comporte deux blocs 126 massifs sensiblement parallélépipédiques et parallèles qui sont reliés entre eux par une paroi 128 flexible perpendiculaire aux blocs. L'éprouvette femelle 1 14 est appliquée et fixée par des vis sur un des blocs 126 de la pièce 120 dont l'autre bloc 126 est fixé au bâti 108, et l'éprouvette mâle 1 10 est appliquée et fixée par des vis sur un des blocs 126 de la pièce 1 18 dont l'autre bloc 126 est fixé aux moyens de traction. Les parois 128 flexibles des pièces en I sont sensiblement coplanaires.

La figure 3 représente de manière schématique le banc d'essai 100 qui est déformé selon un premier mode 130 de vibration. Avantageusement, comme cela est visible dans cette figure, l'attache aube-disque est située au niveau d'un ventre de vibration 132 de ce premier mode, de façon à ce que les glissements entre l'éprouvette mâle et l'éprouvette femelle aient une amplitude maximale.

Afin de pouvoir atteindre des fréquences élevées, l'invention peut utiliser un pot vibrant qui est couplé à la ligne d'amarrage de l'éprouvette mâle 1 10. Le principe de l'essai est donc de chercher les fréquences propres du système afin d'avoir l'énergie la plus élevée au niveau du contact, d'atteindre des fréquences élevées (jusqu'à 2000Hz) et d'assurer un glissement relatif entre les éprouvettes. Les fréquences propres et les amplitudes peuvent être déplacées en jouant sur le moment d'inertie des pièces en 1 1 18, 120 dans le sens d'excitation.

La particularité est de pouvoir, tout en travaillant à des températures élevées représentatives des applications visées, jouer de manière fine sur les conditions de glissement en modifiant la rigidité de la ligne d'amarrage afin de déplacer les modes propres et de jouer sur le sens de glissement.

Pour ce faire, la ligne d'amarrage et son excitation ont été étudiées afin de pouvoir faire fonctionner le contact dans un maximum de déformation due à la sollicitation vibratoire.

Les figures 4 à 6 représentent des premiers modes de réalisation de l'attache aube- disque et en particulier de l'éprouvette mâle 1 10, 1 10' et de l'éprouvette femelle 1 14, 1 14' du banc 100. Dans ces modes de réalisation, la partie 1 12, 1 12' de l'éprouvette mâle conformée en pied d'aube est du type sapin, la partie 1 12 de l'éprouvette mâle de la figure 4 étant du type sapin bilobe et celle 1 12' de la figure 5 étant du type sapin trilobé. La figure 6 représente un éprouvette femelle 1 14' comportant une rainure 1 16' de forme complémentaire de la partie 1 12' de l'éprouvette mâle de la figure 5.

La partie 1 12, 1 12' de l'éprouvette mâle 1 10, 1 10' est montée avec un faible jeu dans la rainure 1 16, 1 16' de l'éprouvette femelle, comme c'est le cas dans une attache aube-disque réelle.

Dans la variante de réalisation des figures 7 et 8, la partie 1 12" de l'éprouvette mâle

1 10" conformée en pied d'aube est du type en queue d'aronde et l'éprouvette femelle 1 14" comporte une rainure 1 16" de forme complémentaire de cette partie 1 12".

Les éprouvettes peuvent chacune comprendre un corps cylindrique, comme cela est représenté aux figures 7 et 8. Chacun de ces corps peut être fixé à ou être solidaire d'une platine de fixation à une pièce en 1 1 18, 120. La figure 9 représente la platine 134 de fixation de l'éprouvette femelle 1 14 à la pièce en I 120, la platine de fixation de l'éprouvette mâle 1 10 à l'autre pièce en 1 1 18 pouvant être identique à cette platine.

La platine 134 a un contour circulaire et comprend des orifices de passage de vis 136 de fixation de l'éprouvette femelle qui sont destinées à être vissées dans des orifices taraudés d'un bloc 126 de la pièce en 1 120.

Avantageusement, et comme expliqué dans ce qui précède, la position de l'attache aube-disque autour de l'axe de traction A peut être réglée et bloquée, par exemple au moyen des vis 136. Pour cela, les vis 136 sont de préférence montées avec jeu dans les orifices de passage de la platine 134 de façon à autoriser un débattement angulaire, par exemple de quelques degrés, autour de l'axe A de l'éprouvette femelle 1 14 et de la platine 134, lorsque les vis 136 sont desserrées. Le serrage des vis 136 assure le blocage de l'éprouvette femelle 1 14 et de la platine 134 dans cette position. L'éprouvette mâle 1 10 et sa platine de fixation sont avantageusement montées de la même façon, c'est-à-dire de manière ajustable autour de l'axe A vis-à-vis de la pièce en I 1 18 sur laquelle elles sont fixées. En pratique, pour ne pas contraindre l'attache aube-disque avant le début d'un essai, la position de l'éprouvette mâle 1 10, de l'éprouvette femelle 1 14 et de leurs platines de fixation autour de l'axe A est réglée, les décalages angulaires de l'éprouvette mâle 1 10 et de l'éprouvette femelle 1 14 autour de l'axe A étant de mêmes valeurs et dans le même sens.

L'invention présentée ici permet de reproduire les différentes sollicitations vues par une aube pouvant avoir une influence sur le comportement de l'attache au fretting fatigue. Ceci permet d'assurer une parfaite reproductibilité de l'application et ouvre la voie à l'étude de nombreux paramètres afin de pouvoir déterminer leurs poids respectifs et les voies d'amélioration envisageables. Une des particularités de l'invention est de permettre d'ajuster des paramètres complexes à mettre en œuvre, comme le niveau de fréquence, l'amplitude des cycles LCF et la combinaison de modes propres complexes, grâce à la modification des pièces en I et l'orientation possible de celles-ci par rapport à l'axe de sollicitation vibratoire. Dans l'exemple de la figure 3, le sens d'excitation vibratoire (flèche 140) est perpendiculaire aux surfaces d'appui entre l'éprouvette mâle et l'éprouvette femelle. La modification de cette orientation (permise par les vis 136 précitées) permet d'atteindre des modes propres complexes superposant flexion et torsion.