Brevet FR2484015A1 — publié le 19811211

La présente invention concerne une aube de rotor comprenant un chapeau de plaquesemafiis constituant la tête de l'aube et se rapporte aux aubes des machines rotatives à flux axial. Les principes ont été développés dans l'industrie des moteurs à turbine à gaz pour être utilisés dans la par- tie turbine des moteurs, mais sont applicables à d'autres machines rotatives fonctionnant à température élevée. Dans les moteurs à turbine à gaz, des gaz de travail à température très élevée sont produits dans une chambre de combustion et passent au traveis de la partie turbine en aval. A l'extrémité en amont de la partie turbine, les gaz de travail ont des températures caractéristiques de l'ordre de 13700C ou davantage. La température des gaz de travail dans de nombreux cas dépasse les capacités de résistance des matières à partir desquelles les éléments de la turbine sont fabriqués et de tels éléments sontrefroidis avec de l'air à température plus basse pour empêcher la détérioration ou la destruction de ces éléments. Les aubes du rotor à l'extrémité en amont de la partie turbine sont parmi les éléments habituellement refroi- dis. Les aubes s'étendent vers l'extérieur sur le rotor du moteur d'travers du parcours des gaz de travail et sont opposées leurs extrémités externes à un bandage qui les entoure, appliqué sur le stator du moteur. Le jeu entre les têtes d'aubes et les bandages est rendu nécessairement petit pour décourager les fuites des gaz de travail par- dessus les têtes et éviter une diminution du rendement aérodynamique qui en résulte. Avec de tels petits jeux aux têtes des aubes, en particulier pendant les conditions tran- sitoires du fonctionnement du moteur, les aubes occasionnel- lement frottent contre le bandage qui l'entoure. Une possibilité d'interaction destructrice existe pendant un tel frottement à la fois du fait. d'une déformation mécanique de l'aube ou du bandage et du fait de la formation de tensionsthermiquesexcessivespendant le moment du frottement. Les têtes d'aubes sont habituellement refroidies comme il est montré dans les brevets US numéro 3 899 267, 3 994 622 et 4 010 531. -2- Les bandages entourant les aubes sont habituellement formés de matières pouvant être usées par abrasion ou déformées, conçues pour s'adapter au contact par frottement avec les aubes, sans interaction destructrice. Les brevets US Nos. 3 042 365, 3 854 842, 3 817 719, 3 879 831 et 3 918 925 montrent des exemples de telles structures. Malgré les structures et systèmes de matière développés dans le passé, les scientifiques et les ingénieurs dans l'industrie continuent à rechercher des aubes et bandages encore améliorés. Des aubes de rotor ayant une résistance élevée à la déformation destructrice et qui sont refroidies efficacement dans la zone de leur tête sont des buts parti- culiers recherchés. Selon la présente invention, on réalise une tête d'aube de rotor ayant une capacité substantielle de trans- fert de chaleur par convection à proximité des surfaces susceptibles de subir un frottement à la tête de l'aube, cette tête d'aube étant constituée par une pluralité de plaques disposées dans le sens de la corde et empilées dans le sens longitudinal, des passages de refroidissement étant disposés entr'elles selon une distribution dans le plan. Une caractéristique principale de la présente invention est la structure constituée de plaques formant le chapeau de la tête d'aube. Les plaques sont disposées dans le sens de la corde au travers de la tête de l'aube pour recouvrir la cavité de l'air de refroidissement qui s'y trouve. Des passages pour l'air de refroidissement entre les plaques établissent une unité de refroidissement pour éloigner l'énergie thermique des surfaces en frottement à la tête de l'aube. La plaque la plus externe dans cer- tains modes de réalisation est réalisée pour avoir la configuration d'un modèle de tête d'aube comprenant une lèvre surélevée s'étendant autour de la périphérie de la tête d'aube pour réduire au minimum la quantité d'aire de surface en contact par frottement avec le bandage entourant l'aube. Un avantage principal de la présente invention est la possibilité d'accroître la capacité de refroidissement efficace très près de la source génératrice de l'énergie 24814O5 -3 thermique. Un flux ininterrompu d'air de refroidissement est garanti par un déchargement latéral de l'air plutôt qu'un déchargement de l'air par la tête. La capacité de refroidissement n'est pas réduite pendant les périodes de contact par frottement avec le bandage environnant. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes o: La figure 1 est une-vue en perspective d'une aube de rotor de moteur à turbine à gaz représentant le chapeau de la tête d'aube selon l'invention. la figure 2 est une vue agrandie de la région de la tête de l'aube de la figure 1 représentant les plaques disposées dans le sens de la corde,qui comprend un chapeau de tête d'aube, des parties étant éclatées pour révéler la configuration des courants de refroidissement par convection selon une distribution dans un plan avec une orientation "en épi ". L'aube de rotor 10 de la figure 1 est une exemple d'aube de rotor du type auquel les principes selon l'inven- tion s'appliquent. L'aube comporte trois sections principales: Une partie racine 12, une partie plate-forme 14, et une partie aérodynamique 16. L'extrémité externe 18 de la partie aérodynamique est appelée partie de la tête d'aube. L'aube comprend une ou plusieurs cavités teIIsque la cavité 20 du bord d'attaque et la cavité 22 du bord arrière, qui s'éten- dent depuis la partie racine de l'aube au travers de la par- tie aérodynamique pour la distribution de l'air de refroi- dissement. Les cavités sont fermées à l'extrémité externe de la partie aérodynamique par un chapeau 24 de tête d'aube comprenant une lèvre 26 regardant vers l'extérieur qui est surélevée à partir de la structure de support. Dans son environnement en fonctionnement, la partie racine 12 de l'aube peut être fixée au disque de rotor (non représenté) d'un moteur à turbine à gaz, la partie aérodynamique 16 s'étendant vers l'extérieur au travers du parcoursainulaire pour les gaz de travail dans le moteur. La partie plate-forme 14 forme ue partie de la limite in- terne du parcours. La limite externe du parcours est constituée en partie par un bandage entourant les aubes -4- (également non représenté) qui est opposé à la lèvre surélevée de la tête d'aube et est disposé très près de celle-ci. - Dans le mode de réaHsation de l'invention représen- té dans la figure 2, la partie aérodynamique 16 est fabri- quée à partir d'une pluralité de plaques28 disposée longi- tudinalement qui sont soudées par une technique convenable telle que le soudage par diffusion. Similairement, le chapeau 24 de la tête est fabriqué à partir d'une pluralité de plaques disposées dans le sens de la corde, comprenant une plaque la plus externe 30 et une ou plusieurs plaques internes 32 qui sont empilées dans la direction longitudinale. Le chapeau de la tête d'aube ferme les extrémités externes de la cavité 20 du bord d'attaque et de la cavité 22 du bord arrière. Les plaques internes 32 sont fabriquées en une matière métallique ayant une composition comparable ou iden- tique à la matière à partir de laquelle la partie aérodynami- que de l'aube est fabriquée. La plaque 30 la plus externe est fabriquée dans la même matière et comporte une lèvre 26 surélevée s'étendant autour de la périphérie de l'extré- mité de l'aube. La lèvre surélevée constitue une aire de surface minimale sur la tête d'aube exposée au contact par frottement avec les bandages entourant les aubes. Les ten- sions thermiques excessives sont par conséquent évitées lorsque la tête d'aube est usée pour s'adapter à la géométrie du bandage. Les plaques sont soudées par exempe l'une à l'autre et aux plaques disposées longitudinalement de la partie aérodynamique, également par une technique convenable telle que le soudage par diffusion. Les passages latéraux 34 pour le flux d'air de refroidissement sont formés à l'interface 36 entre une paire de plaques adjacentes. Une uartie des passages 34 du mode de réalisation illustré s'étend depuis l'intérieur de l'aube à une des chambres à air de refroidissement latéralement vers la surface 38 du côté de pression de la partie aérodynamique. La partie restante des passages 34 s'étend depuis l'int4rier dle l'aube et latéralement vers la surface 40 du côté d'aspraticn de la partie aérodynamique. Les passages s'étendant latéralement peuvent être formés 24QO' O5 -5- dans un côté d'une seule plaque et peuvent être formés dans les côtés opposés de deux plaques adjacentes et ensui- te disposés de façon à s'ajuster. Le profilage et le décapa- ge sont deux des techniques convenables pour la réalisation des passages. Les chapeaux de tête d'aube réalisés selon les principes de la présente invention sont très avantageux en ce qu'ils sont capables d'établir un refroidissement par convection substantiel très près des endroits générateurs d'énergie thermique. Une unité de refroidissement pour entraîner l'énergie thermique et l'éloigner des endroits est générateurs de l'énergie-/établie par les multiples passa- ges et en particulier par les passages 34 s'étendant laté- ralement dans la figure 2. Les passages latéraux établissent une zone dans un plan,de refroidissement par convection sensiblement uniforme. La structure de la plaque est bien adaptée à la fabrication des passages latéraux, en particulier aux interfaces entre les plaques o des passages de géométrie et de contours compliqués peuvent être formés avant que les plaques ne soient soudées. La disposition de l'unité de refroidissement très près des surfaces susceptibles d'entrer en frottement comme dans la présente invention permet la dissipation de la chaleur sans destruction de la matière de la tête d'aube. Une forte densité de passages est nécessaire pour garantir un refroidissement adéquat par convection. Bien que des nombres moindres de passages ont été utilisés dans les structures connuE dans la technique réalisées au moyen de plaques, de telles structures typiquement comptent le sur au moins en partiesur/refroidissement pelliculaire pour protéger les surfaces externes de l'aube contre les gaz de travail à haute température. La structure décrite ici admet que lorsqu'un frottement se produit, le refroi- dissement pelliculaire sur la tête d'aube est interrompu précisément au moment o une capacité d'élimination maximum de la chaleur est nécessaire. Une telle interruption de la capacité de refroidissement est évitée. Le mode de réalisation de chapeau de tête d'aube se- -6- ion l'invention est représenté en combinaison avec une aube fabriquée par des techniques à plaques radiales Les principes sont parfaitement compatibles avec des systèmes de matièreset des techniques de fabrication utilisées avec des structures à plaques radiales et, comme tel, vraisem- blablement trouvent leur plus grande utilité dans ce domai- ne. Les principes connus dans le domaine des aubes à pla- quE radiale sont ceux décrits dans les brevets US numéros 3 872 563 et 4 203 706. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art à l'aube de rotor qui vient d'être décrite uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. 240L91 5 -7- Revendications: 1. Aube de rotor du type comprenant au moins une cavité longitudinale s'étendant depuis la partie racine jusqu'à la tête de l'aube pour distribuer de l'air de refroidissement, caractérisée en ce qu'elle comprend un chapeau(24)disposé sur l'extrémité de la tête d'aube de la cavité et est formé par une pluralité de plaques (30,32)disposées dansle sens de la-corde et empilées dans le sens longitudinal o au moins deux de ces plaques (32) comprennent une première série de passages de refroi- dissement (34) s'étendant latéralement, form. entr'elles qui sont orientés de façon à pouvoir décharger l'air de refroidissement depuis la cavité longitudinale vers le côté de pression (38) de l'aube. 2. Aube de rotor selon la revendication 1, caractérisée en ce que ces plaques (32) comprennent une seconde série de passages de refroidissement (34) s'étendant latéralement, formés entr'elles qui sont orientés de façon à pouvoir décharger l'air de refroidissement depuis la cavité longitudinale vers le côi d'aspiaticn(40) de l'aube. 3. Aube de rotor selon la revendication 2, caractérisée en ce que cette première et cette seconde séries de passa- ges (34) s'étendant latéralement sont disposées selon un modèle en épi pour obtenir une zone en un plande refroi- dissement par convecton sensiblement uniforme dans l'aube en fonctionnement. 4. Aube de rotor selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisée en ce que la plus externe (30) de ces plaques (30,32) comprend une mince lèvre (26) s'étendant autour de la périphérie de l'extrémité de l'au- be.