Brevet FR2460387A1 — publié le 19810123

La présente invention concerne les aubes de turbines. Dans les turbomachines, il est nécessaire d'optimiser le refroidissement des aubes pour leur assurer une plus longue longévité, tout en réduisant le courant d'agent de refroidisse- ment sans perte de refroidissement effectif. Cependant, les aubes ont à résister à des conditions de température différentes aux divers stades du fonctionnement de la machine. Ainsi, les exi- gences de refroidissement des aubes d'une machine tournant ré- gulièrement sont très différentes de celles ayant cours lors des accélérations ou des décélérations de la machine. En outre, non seulement l'environnement thermique se modifie quand la machine tourne selon un mode différent, mais les conditions du transfert de la chaleur autour du profil de l'aube peuvent être fortement différentes d'une zone de l'aube à l'autre. Le but de l'invention est de procurer une aube creuse pour turbomachines dont la température soit sensiblement nifor- me sur toute sa paroi pendant tout le fonctionnement de la ma- chine. A cet effet, la présente invention #our objet une aube de turbine avec section transversale de forme aérodynamique qui, en fonctionnement, est exposée à des flux thermiques variant d'une zone à l'autre de l'aube, cette aube étant creuse et com- prenant une paroi d'épaisseur variable, cette paroi étant plus épaisse dans certaines zones qui, en fonctionnement, sont expo- sées à des flux thermiques élevés, que dans d'autres zones qui, en fonctionnement, sont exposées à des flux thermiques plus fai- bles, et ladite paroi étant pourvue de canalisations de refroi- dissement s'étendant le long de celle-ci, au moins les canalisa- tions qui sont situées dans les zones les plus épaisses de la paroi étant allongées, en section dans une direction allant de la surface externe de la paroi à la surface interne de cette paroi, et les canalisations de section allongée étant pourvues d'un revêtement thermiquement plus conducteur que le matériau dont l'aube est constituée. De préférence, seules les canalisa- tions des zones qui sont exposées aux flux thermiques dépassant une valeur prédéterminée ont une forme allongée en section. Certaines des canalisations allongées en section peuvent être constituées par une chambre fermée contenant un agent de trans- fert de chaleur tel qu'un métal (par exemple du sodium) qui est liquide à la température de fonctionnement des canalisations en cause. Une forme de réalisation de l'invention sera maintenant décrite, à titre d'exemple, avec référence au dessin ci-annexé 3 dans lequel: lafigure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une aube de turbine construite selon la présente invention, selon la ligne I-I de la figure 2, la figure 2 est une vue en coupe transversale de l'aube de la figure 1, selon la ligne II-II de la figure 1, et la figure 3 représente avec plus de détail la section de l'une des canalisations de refroidissement de l'aube de la fi- gure 1. Si l'on se reporte au dessin, on y voit une aube de turbine 10 destinée à une turbomachine. L'aube de turbine 10 comprend une partie 11 ayant une forme aérodynamique, un épau- lement 12 et une embase 13 pour fixer l'aube à la périphérie d'un moyeu de turbine 14. Une partie en crochet 15 s'accroche à une plaque de retenue 16 montée à l'arrière et empêche l'aube 10 de sortir des fentes de fixation pratiquées sur la périphérie du moyeu 14. L'aube 10 est creuse et comprend un vide central impor- tant 17 fermé à la pointe de l'aube. La paroi de la partie aérodynamique Il de l'aube a une épaisseur variable. Cette paroi est plus épaisse dans les zones qui sont, en fonctionnement, exposées à des flux thermiques plus élevés que le reste du pro- fil de l'aube. Il s'agit par exemple de la zone 19 du bord avant de la partie aérodynamique Il et la zone 20 du côté arrière 21 à haute pression, ainsi que la partie avant du côté à haute pression. Des canalisations de refroidissement 22 sont prévues dans la paroi de l'aube. Ces canalisations 22 sont disposées dans le sens de la longueur de l'aube et elles ont pour fonc- tion de faire passer l'air de refroidissement d'une cavité 23 constituée entre le fond de l'embase 13 de l'aube et la base de la fente de fixation de l'aube dans le moyeu 14 de la turbine. L'air de refroidissement sort à la pointe de l'aube de turbine. Les canalisations de refroidissement 22 situées dans les zones plus épaisses 19 et 20 sont de forme générale allon- gée, en section, dans la direction allant de la surface externe de la paroi vers la surface interne de cette paroi. Chacune des canalisations 22 situées dans les zones 19 et 20 est pourvue d'un revêtement thermiquement conducteur 24 tel que du cuivre ou de l'aluminium (voir figure 3). Ces canalisations 22 de sec- tion allongée servent à canaliser le flux thermique qui traverse les parois sur des parcours étroits situés entre les canalisa- tions, alors que le revêtement thermiquement conducteur 24 améliore le transfert de chaleur de la surface externe de l'aube et des parois étroites situées entre les canalisations, par comparaison avec le transfert de chaleur s'effectuant à travers le matériau de l'aube. L'épaisseur de la paroi varie de manière à faire varier la réponse thermique de la paroi. Ceci signifie que lors de con- ditions de fonctionnement transitoires telles que des accéléra- tions ou des décélérations de la machine, les zones plus épaisses de l'aube agissent comme des masses à retardement thermique qui ralentissent la vitesse de changement de la température des pa- rois de l'aube à une valeur semblable aux vitesses que l'on cons- tate dans les autres sections de l'aube. Quand il s'agit de con- ditions transitoires, on est ainsi certain que la température reste sensiblement uniforme autour du profil de la partie aéro- dynamique 11. L'épaisseur effective de la paroi, en un emplace- ment donné quelconque de ce profil, est déterminée par des cal- culs expérimentaux et des calculs de mise au point, et l'épais- seur finalement choisie est l'épaisseur optimale compatible avec la facilité de la fabrication. Dans la zone du bord arrière de l jartie aérodynamique, l'épaisseur de la paroi définie par la forme de cette partie aérodynamique est trop faible pour qu'il puisse y avoir un retardement thermique effectif. Le revêtement thermiquement conducteur 24 qui est à l'intérieur des canalisations 22 a pour rôle, quand la machine tourne de façon stable ou transitoire, d'assurer que le trans- fert de chaleur à travers la paroi soit tel que le gradient de température en travers de la paroi soit faible dans toutes les zones autour du profil de la partie aérodynamique. Les dimen- sions, le nombre, l'espacement et la forme des canalisations de refroidissement 22 sont choisis pour contrôler le niveau et le gradient de température au travers de la paroi de l'aube dans des limites prédéterminées. Des passages de refroidissement peuvent également être prévus pour y faire passer un agent de refroidissement parvenant du vide central 17, traversant la paroi de l'aube et sortant par des trous pratiqués dans la surface externe de l'aube de ma- nière à déterminer un refroidissement par film. Ces trous peu- vent être pratiqués dans la zone 19 du bord avant ou dans le bord arrière de l'aube. Selon une autre forme de réalisation de l'aube selon la présente invention, les canalisations de refroidissement 22 peuvent être fermées à la pointe de l'aube 10 et des passages peuvent être prévus pour relier les canalisations de refroidis- sement 22 au vide central 17. Selon une autre conception de l'aube conforme à l'inven- tion, certaines des canalisations de refroidissement de l'aube des figures 1 et 2 peuvent être obturées à chaque extrémité, de manière à définir des chambres fermées. Par exemple, une sur deux des canalisations 22 peut être ainsi obturée. Dans ce cas, les canalisations 22 qui sont fermées sont remplies d'un agent échangeur de chaleur tel que du sodium, qui devient liquide quand l'aube fonctionne, ou tous autres fluides ou substances d'apport pouvant échanger la chaleur et appropriés, présentant une conductivité thermique meilleure que le matériau dont est constituée l'aube. Selon encore une autre forme de réalisation de cette aube, les canalisations de refroidissement 22 peuvent être dis- posées dans des directions transversales à la longueur de l'au- be au lieu d'être orientées dans le sens de la longueur de cette aube. Par exemple, les canalisations de refroidissement peuvent aller du bord avant au bord arrière. L'invention peut être appliquée à tous les types d'aubes de turbines, qu'elles aient ou non, en plus, un blindage à leur pointe ou encore des amortisseurs. REVENDICATIONS 1 - Aube creuse de turbine avec section transversale de forme aérodynamique qui, en fonctionnement, est exposée à des flux thermiques dont le niveau varie d'une zone de l'aube à l'autre, caractérisée en ce qu'elle comprend une paroi d'épaisseur va- riable, cette paroi étant plus épaisse dans les zones (19,20) qui, en fonctionnement, sont exposées à des flux thermiques élevés que dans d'autres zones qui, en fonctionnement, sont exposées à des flux thermiques plus faibles, ladite paroi étant pourvue de canalisations de refroidissement (22) disposées le long de celle-ci, au moins les canalisations (22) des zones les plus épaisses (19, 20) de la paroi étant allongées, en section, dans une direction allant de la surface externe de la paroi vers la surface interne de la paroi, et les canalisations de section allongée (22) étant pourvues d'un revêtement (24) ther- miquement plus conducteur que le matériau dont l'aube est cons- tituée. 2 - Aube de turbine selon la Revendication 1, caractérisée en ce que seules les canalisations (22) des zones (19, 20) qui sont exposées à des flux thermiques supérieurs à une valeur prédéterminée sont de section allongée. j - Aube de turbine selon la Revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que certaines des canalisations de section allongée (22) sont des chambres fermées contenant un agent échangeur de chaleur. 4 - Aube de turbine selon la Revendication 3, caractérisée en ce que l'agent échangeur de chaleur est un métal qui est liqui- de à la température de fonctionnement des canalisations respec- tives (22) contenant ledit métal. - Aube de turbine selon la Revendication 4, caractérisée en ce que le métal est du sodium. 6 - Aube de turbine selon l'une quelconque des Revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les canalisations (22) par les- quelles passe l'agent de refroidissement partent d'une cavité (23) à l'extrémité de l'embase de l'aube et sont ouvertes à la pointe de l'aube. 7 - Aube de turbine selon l'une quelconque des Revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les canalisations (22) par les- quelles passe l'agent de refroidissement communiquent avec le vide central (17) de l'aube et en ce que des passages de re- froidissement sont prévus pour conduire l'agent de refroidisse- ment depuis le vide (17) jusqu'à des trous pratiqués dans la surface externe de l'aube. d - Aube de turbine selon l'une quelconque des Revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les zones plus épaisses (19) de la paroi sont prévues dans la zone du bord avant de la section aérodynamique. 9 - Aube de turbine selon l'une quelconque des Revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les zones plus épaisses (20)de la paroi sont prévues dans la partie arrière du côté de la haute pression de la section aérodynamique.