Brevet FR2152437A1 — publié le 19730427

L'invention se rapporte aux aubes de turbines qui sont soumises en service à des températures élevées et concerne plus précisément leur structure et leur fabrication, ainsi qu'uR oue de turbine particulièrement adaptée à coopérer avec de telles aubes. Elle s'applique notamment aux aubes de turbines à gaz et plus particulièrement aux aubes de turbines de turboréacteurs d'aviation. Il est bien connu que la température de fonctionnement de ces turbines est limitée par la tenue mécanique et thermique de leurs aubages, et que le refroidissement des aubages permet -par conséquent d'élever la température de fonctionnement. Un des moyens les plus efficaces de refroidir les aubes est d'utiliser l'impact de jets d'air. On a déjà proposé à cet effet, notamment dans le brevet français nO 1 177 035 de la demanderesse, de oraliser des aubes creuses contenant chacune une chemise alimentée en air sous pression (ou autre fluide de refroidissement) et percée de trous situés en regard des parties de la paroi de l'aube devant être particulièrement refroidies. Dans les modes de réalisation connus, l'aube creuse est en gnôle soudée, par exemple, le long de son bord de fuite. Cependant, les températures de fonctionnement et les vitesses de rotation des turbines modernes sont telles que les aubes de rotor, principalement celles des étages à haute pression où le problème du refroidissement se pose avec le plus d'acuité, doivent obligatoirement eAtre réalisées en métaux coulés ou forgés, d'une part parce que ces matériaux ont une meilleure tenue mécanique et thermique, d'autre part parce que la t81e ne garantit pas une précision d'usinage et une indéformabilité absolues, ce qui est inacceptable dans les machines à haut rendement exigeant un écoulement aérodynamique sans pertes trop importantes.Ces métaux coulés ou forgés sont difficilement usinables, et les circuits internes de refroidissement sont réalisés par la technique de la fonderie de précision dans le cas des aubes coulées, et par perçage électrochimique dans le cas des aubes forgees ; dans l'un-et l'autre cas, l'air de refroidissement s'écoule parallèlement à la surface à refroidir, sans effet d'impact. La présente invention permet de concilier le refroidissement par impact au moyen d'une chemise perfore, avec la réalisation des aubes en matériaux coulés c;u forgés. Selon l'invention, la chemise est placée dans une cavité formée par des évidements en regard pratiqués dans deux demi-coquilles en matériaux coulés ou forgés ayant la forme extérieure de l'aube et de son talon de montage et assemblées par soudage, ladite chemise étant pourvue d'un col qui est immobilisé dans un étranglement de ladite cavité formé dans ledit talon. Le procédé de fabrication selon l'invention consiste - à realiser deux demi-coquilles complémentaires ayant chacune une face externe formant une moitié environ de la surface ex térieure de l'aube, et une face interne plane s'étendant du talon à.la t8te de l'aube et pourvue d'un évidement ayant une portion retrécie qui débouche dans la base du talon, les fa ces extérieures au moins étant obtenues par la technique de la fonderie de précision ou par la technique du forgeage de précision - à percer dans une au moins des demi-coquilles des trous dé bouchant dans l'évidement et dans la face extérieure ;; - à réaliser une chemise ayant un col ouvert propre à être ser ré entre les portions rétrécies des évidements lorsque les deux demi-coquilles sont accolées par les portions planes de leurs faces internes et une portion élargie se terminant en cul-de-sac qui se trouve alors lOgée avec un jeu important dans la cavité formée par les évidements - à percer des trous traversant la paroi de la portion élargie de la chemise et dirigés vers les parties de la parois de la cavité que l'on désire particulièrement refroidir ; - à accoler les deux demi-coquilles par les portions planes de leurs faces internes en engageant la chemise entre les évide ments avec son col entre les portions rétrécies de ces évi dements et à assembler les deux demi-coquilles par soudage desdites portions planes. belon une particularité de l'invention, si les demi-coquilles sont en matériaux coules, elles sont réalisées par la technique de la fonderie de précision et les évidements sont de préférence venus de moulage comme les surfaces -extérieures. Selon une autre particularité, si les demi-coquilles sont en matériaux forges, les surfaces extérieures sont réalisées par forgeage ou estampage par la technique du forgeage de précision et les évidements sont de préférence pratiqués chimiquement ou électro-chimiquement. L'assemblage des demi-coquilles se fait avantageusement par la technique du soudage par diffusion Selon une autre particularité de l'invention, la chemise est emboutie en une seule pièce à l'aide d'un poinçon démontable. tes aubes selon l'invention sont avantageusement montées sur un disque de turbine fait de deux flasques annulaires adossés et assemblés par soudage selon la technique décrite dans le brevet français nO 1 498 404 de la demanderesse. Ce disque est muni intérieurement de canaux dirigés radialement, ménagés entre les deux flasques et débouchant dans un collecteur annulaire, également ménagé entre les deux flasques dans la portion périphérique extérieure formant la jante du disque. tes aubes sont munies de talons qui sont montés dans des rainures de la jante de façon que les cols de chemises soient mis en communication avec le collecteur annulaire.Tes canaux sont alimentés en air de refroidissement à la périphérie intérieure de la roue, de préférence par des ailettes prévues dans un dispositif formant un moyeu inséré entre les portions périphériques inté- rieures des flasques, de sorte que l'air est entrainé par effet centrifuge dans les canaux du disque et dans les chemises et sort sous pression par les trous de celles-ci pour refroidir les aubes. La description qui va suivre en regard des dessins an nexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant des dessins que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en demi-coupe axiale de deux roues d'une turbine munies d'aubes selon l'invention - la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 1, montrant une aube et son montage dans la jante d'une roue ; les figures 3a, 3b et 3c sont des vues en coupe selon les lignes Illa-Illa, IIIb-IIIb et IIIc-lIIc, respectivement, de la figure 2 - la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3a - les figures 5 et 6 sont des vues partielles en éléva tion selon les flèches V et VI, respectivement, de la figure 2. On voit sur la figure 1 deux roues 1, 2 d'une turbine de turboréacteur d'aviation d'axe XX', reliée à un compresseur non représenté par un arbre creux 3 boulonné en 3a à une bride 4 solidaire de la roue 1. L'autre roue 2 est solidaire d'une bride 5 boulonnée en Ga à une virole conique 6 supportée et centrée à l'arrière (c'est-à-dire à ltopposé du compresseur) par un roulement à galets non représenté. tes deux roues 1 et 2 sont rendues solidaires par un anneau ae liaison 7 auquel elles sont soudées en 7a et 7b. Les roues 1 et 2 portent respectivement des aubes 8 et 9 qui seront décrites plus loin. Entre les aubages mobiles formés par ces aubes se trouve un aubage fixe dont on voit une aube 10 fixée au carter non représenté de la turbine. tes têtes des aubes 10 sont reliées par un anneau 11 muni de labyrinthes lia en contact avec des léchettes d'étanchéité 12a portées par un anneau 12 formant pont entre les deux roues et limitant la chambre de détente (ou chambre annulaire de travail) de la turbine. L'écoulement de l'air et des gaz s'effectue suivant la flèche F, de droite à gauche de la figure 1. A leur sortie de la chambre de combustion (non représentée) du turboréacteur, les gaz chauds se détendent en traversant les aubes 8 du premier aubage mobile, les aubes 10 de l'aubage statorique et les aubes 9 du second aubage mobile. L'énergie mécanique ainsi prélevée sur les gaz chauds sert à faire tourner le compresseur non représenté par l'intermédiaire de l'arbre 3. Les disques des roues 1 et 2 sont constitués de façon analogue, chacun d'eux étant fait de deux flasques 13, 14 selon la technique décrite dans le brevet français n0 1 498 404 mentionné plus haut.Chacun des flasques 13 et 14 est annulaire et sa face adossée à l'autre flasque est pourvue de rainures radiales 13a, 14a formant des canaux qui aboutissent en regard des emplacements pé- riphériques prévus pour les aubes 8 ou 9, et de deux rainures circulaires 13b, 14b, formant un collecteur dans la jante la ou 2a du disque, et 13c, 14c formant une gorge annulaire qui débouche à la périphérie intérieure du disque. Dans cette gorge 13c, 14c sont engagés un flasque annulaire 15 pourvu sur sa face intérieure de rainures 15a si tuées dans des plans axiaux et un flasque 16 pourvu sur sa face intérieure d'ailettes 16a dont les bords sont engagés dans les rainures 15a. Les flasques 323, 14 sont adossés par les parties non rainurées de leurs faces en regard, qui forment un plan de contact, puis sont soudés dans cette position de la manière décrite dans le brevet français nO 1 498 404 mentionné plus haut, le moyeu formé par les flasques 15 et 16 ayant été préalablement usiné afin de s'engager sans jeu dans la gorge annulaire 13c, 14c. Les deux roues 1 et 2 sont ensuite rendues solidaires par soudage de l'anneau de liaison 7 en 7a et 7b, et sont soudées en 4a et 5a aux brides 4 et 5, de manière à former-un rotor centré sur l'axe XX'. Les flasques 15 et 16 sont conformés de façon que les canaux formés entre leurs faces en regard par les ailettes 16a soient recourbes vers la gauche de la figure 1. te flasque 16 de la roue 2 est annulaire et le flasque 16 de la roue 1 est une pièce continue. La virole 6, la bride 5, la jante 2a de la roue 2, l'anneau de liaison 7, la roue 1 et le flasque 16 de son moyeu forment une enceinte à paroi continue qui est alimentée en air de refroidissement sous pression, suivant la flèche F1, par des moyens non représentés. L'air de refroidissement emplit cette enceinte et pénètre à l'intérieur des roues 2 et I en rotation, par les canaux formés par les ailettes 16a faisant office de compresseurs centrifuges.L'air de refroidissement s'écoule ensuite par effet centrifuge dans les canaux radiaux 13a, 14a des deux roues jusqu'aux collecteurs 13b, 14b d'où il sort par les trous 19, toujours par effet centrifuge, pour refroidir les aubes 8, 9 comme on l'expliquera plus loin. Les figures 2 à 6 illustrent la structure et le montage d'une aube de turbine telle que les aubes 8 et 9 de la figure 1, montée dans la jante 18 d'une roue de turbine telle que les roues 1 et 2 de la figure 1, dont le collecteur d'air pé riphérique est représenté en 13b, 14b. t'aube 17 est faite de deux demi-coquilles 17a, 17b assemblées par soudage suivant un plan de joint 20 qui est dirigé transversalement par rapport à l'axe tel que XX' de la turbine quand l'aube est en place, de manière à former une pièce creuse ouverte seulement du côté du talon 21 de l'aube. La cavité 22 de l'aube a une section notable en 22a à la base du talon 21, forme un étranglement 22b dans le reste de ce talon, et s'épanouit en 22c et se rétrécit à nouveau le long de la pale 23 de l'aube pour finir en cul-de-sac, en suivant la section extérieure évolutive de cette pale 23. Dans la cavité 22 est disposée une chemise 24. te talon 21, vu en plan (figures 3b et 3c) présente une forme de parallélogramme et, vu de profil (figure 4) une forme de trapèze à c8tés latéraux ondulés, de manière à pouvoir s'insérer dans des rainures 25 de forme correspondante de la jante 18, selon le mode de montage connu sous le nom de montage "en sapin". tes deux côtés lisses 2lc, 21d du talon 21 portent à la partie supérieure des pattes d'attache 21a, 21b dont le but sera indiqué plus loin. ta chemise 24 est une enveloppe creuse en cul-de-sac qui s'engage avec un jeu important dans la portion de cavité 22 située dans la pale 23 de l'aube et qui est munie à sa base d'un col 24a engagé sans jeu dans l'étranglement 22b de la cavité et serré dans cet étranglement lorsque les deux demi-coquilles 17a et l7b sont appliquées l'une contre l'autre. Ce col 24a se termine par un épanouissement à extrémité ouverte 24b logé dans la portion 22a de la cavité 22. La chemise est percée de trous 26 en regard du bord d'attaque de l'aube, et celle-ci est pourvue de trous de sortie d'air 27 sur les faces dtintrados et d'extrados de son profil.L'air de refroidissement, venant des trous 19 comme on l'a expliqué, pénètre dans la chemise 24 par 11 extrémité ouverte 24b de son col 24a, sort sous pression par les trous 26 en formant des jets 28 qui, après avoir frappé le bord d'attaque de l'aube, se divisent en deux flux qui s'écoulent entre la chemise et la surface de la cavité 22 et sortent par les trous 27. tes trous 26 sont répartis sur la hauteur de la chemise de manière à obtenir le refroidissement désiré du bord d'attaque par impact des jets 28. Comme on l'a indiqué dans l'introduction de la présente description, chacune des demi-coquilles est fabriquée, dans un mode d'exécution, en matériaux coulés par la technique connue de la fonderie de precision, les surfaces extérieures destinées à former la pale 23 de l'aube et les évidements 17c et 17d des tinés à former la cavité 22 étant réalisés directement par moulage. Dans un autre mode d'exécution, les demi-coquilles sont fabriquées en matériaux forgés par la technique connue du forgeage de précision, les surfaces extérieures étant obtenues par forgeage, et les évidements 17c et 17d sont pratiqués électro-chimiquement.Les gens du métier savent pratiquer un évidement dans une pièce par des méthodes électro-chimiques et, pour cette raison, il ne parait pas utile de décrire cette technique en détail. La chemise 24 est emboutie en une seule pièce au moyen d'un poinçon fait de plusieurs parties assemblées -lon peut démonter après exécution de l'emboutissage pour les retirer par le col 24a. On engage la chemise 24 entre les évidements 17c et 17d des deux demi-coquilles, avec le col 24a engagé entre les portions de ces évidements destinées à former l'étranglement 22b, et on serre les deux demi-coquilles l'une contre l'autre suivant leur plan de joint 20, au moyen d'un outillage approprié, puis on les soude ensemble, par exemple à l'argon ou de préférence par diffusion. Le col 24a étant ainsi- serré dans l'étranglement 22b, la chemise 24 ne peut pas se déplacer radialement dans l'aube 17, notamment sous l'action des efforts centrifuges qui la sollicitent pendant la rotation de la turbine. Pour monter les aubes telles que 17 sur la jante 18 d'une roue de turbine, on engage les ondulations "en sapin" du talon 21 de chaque aube dans une des rainures ffi régulière- ment réparties sur la jante. Ces rainures sont pratiquées obliquement dans la jante 18 afin que les c8tés lisses 21c 21d des talons se trouvent, après montage, parallèles aux faces avant et arrière de la roue. Les aubes sont ensuite verrouillées axialement par des plaquettes 29 et 30 placées respectivement sur la face arrière de la roue (figure 5 et à gauche de la figure 2) et sur sa face avant (figure 6 et à droite de la figure 2). La face arrière de la jante 18 est pourvue d'une. rai- nure circulaire continue 31 ouverte vers l'extérieur, en regard de laquelle des rainures 32 des pattes 21a viennent se placer quand les talons 21 sont en position correcte. tes plaquettes 29 sont sensiblement rectangulaires (voir figure 5) et une au moins d'entre elles (figurée en 29') est pourvue à son bord supérieur d'une entaille 29,a et de deux fentes 29,b' 29' de part et d'autre de cette entaille.Après le montage de chaque aube, on engage le bord inférieur d'une plaquette 29 dans la rainure continue 31 de la jante, au droit d'une partie voisine ne portant pas encore d'aube, puis on fait glisser cette plaquette 29 de façon que son bord supérieur s'engage dans la rainure 32 de l'aube qu'on vient de monter et vienne se placer symétriquement par rapport à la patte 21a de cette aube. On engage enfin le bord inférieur de la dernière plaquette 29' dans la rainure 31 ; cette plaquette peut venir s'appliquer contre le côte lisse 21c du talon de la dernière aube montée, puisque l'entaille 29'a entoure la patte 21a de cette aube.On achève le verrouillage en faisant tourner toutes les plaquettes d'un demi-pas (c'est-à-dire jusqu'à la position représentée sur la figure 5), puis en rabattant les portions 29' d de la plaquette 29' comprises entre l'encoche 29'a et les fentes 29'b, 29'c (voir aussi figure 2), ce qui empoche dormais tout coulissement des plaquettes. La face avant de la jante 18 (figures 2et 6) est également rainurée, mais la rainure 33 est discontinue et s'étend seulement sur des pattes 34 situées en regard des rainures 35 des pattes 21b des aubes. Les plaquettes 30 sont entaillées en haut et en bas en 30a et 30b respectivement. Une au moins d'entre elles (figurée en 30') est pourvue de deux fentes 3onc, 3O'd situées de part et d'autre de l'entaille 30a et de deux autres fentes 30tex 30'f situées de part et d'autre de l'entaille 30b. Ces plaquettes sont mises en place lorsque toutes les aubes ont été montées et verrouillées sur la roue du c8té arrière. A cet effet, on place toutes les plaquettes 30 et 30' contre les côtés lisses 21d des talons avec les entailles 30a et 30b entourant respectivement les pattes 21b et 34, puis on fait coulisser toutes les plaquettes ensemble d'un demi-pas de manière que leurs bords supérieurs et leurs bords inférieurs s'engagent respectivement dans les rainures 33 et 35, dans la position représentée sur la figure 6. On verrouille ensuite le tout en rabattant les portions 30' g, 30'h de la plaquette 30' comprises respectivement entre l'entaille 30a et les fentes 30'c et 30'd, et entre l'entaille 30b et les fentes 30'e et 30' (voir aussi figure 2). REVENDICATIONS 1. Aube de turbine comportant une cavité intérieure contenant une chemise alimentée en fluide de refroidissement sous pression et percée de trous situés en regard des parties de la paroi de l'aube que l'on désire particulièrement refroidir, ca ractérisée en ce que la cavité est formée par des évidements en regard pratiqués dans deux demi-coquilles en matériaux coulés ou forgés ayant la forme extérieure de l'aube et de son talon de montage et assemblées par soudage, ladite chemise étant pourvue d'un col qui est immobilisé dans un étranglement de ladite cavité formée dans ledit talon. 2. Procédé de fabrication d'une aube de turbine en matériau coulé ou en matériau forgé, consistant - à réaliser deux demi-coquilles complémentaires ayant chacune une face externe formant une moitié environ de la surface ex térieure de l'aube, et une face interne plane s'étendant du talon à la tête de l'aube et pourvue d'un évidement ayant une portion rétrécie qui débouche dans la base du talon, les faces extérieures au moins étant obtenues par la technique de la fon- derie de précision ou par la technique du forgeage de préci sion, - à percer dans une au moins des demi-coquilles des trous débou chant dans l'évidement et dans la face extérieure, - à réaliser une chemise ayant un col ouvert propre à être serré entre les portions rétrécies des évidements lorsque les deux demi-coquilles sont accolées par les portions planes de leurs faces internes et une portion élargie se terminant en cul-de sae,qui se trouve alors logée avec un jeu important dans la cavité formée par les évidements, - à percer des trous traversant la paroi de la portion élargie de la chemise et dirigés vers les parties de la paroi de la cavité que l'on désire particulièrement refroidir, - à accoler les deux demi-coquilles par les portions planes de leurs faces internes en engageant la chemise entre les évi dements avec son col entre les portions rétrécies de ces évi dements, et à assembler les deux demi-coquilles par soudage desdites portions planes. 3. Procédé selon la revendication 2 pour fabriquer une aube en matériau coulé, caractérisé en ce que les évide ments sont obtenus par la technique de la fonderie de préci sion. 4. Procédé selon la revendication 2 pour fabriquer une aube en matériau forgé, caractérisé en ce que les évidements sont pratiqués électro-chimiquement. 5. Procédé selon une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'assemblage des demi-coquilles est réalisé par la technique du soudage par diffusion. 6. Procédé selon une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la chemise est réalisée en une seule pièce par emboutissage. 7. Roue de turbine comprenant des aubes selon la revendication 1 ou fabriquées par un procédé selon une quelconque des revendications 2 à 6, et un disque de turbine muni intérieurement de canaux dirigés radialement et débouchant dans un collecteur annulaire ménagé dans la portion périphérique extérieure formant la jante du disque, et les talons des aubes étant montés dans des rainures de la jante de façon que les cols des chemises communiquent avec ledit collecteur annulaire, caractérisée en ce que le disque est annulaire et est muni,dans sa partie fore centrale, d'un moyeu engagé dans une gorge annulaire entre les flasques et d'où partent les canaux, ledit moyeu étant pourvu d'ailettes centrifuges propres à refouler l'air de refroidissement dans ladite gorge.