Brevet FR2484014A1 — publié le 19811211

La présente invention concerne une aube de rotor du type à tête constituée de plaques refroidissables,comprenant au moins une cavité longitudinale s'étendant depuis la raci- ne jusqu'à la tête de l'aube pour distribuer de l'air de refroidissement. L'invention concerne des aubes pour machi- nes rotatives à flux axial et plus précisément des chapeaux abrasifs de tête d'aube à géométrie refroidissable fixés aux extrémités des aubes. Les principes ont été développés dans l'industrie des moteurs à turbine à gaz pour être utilisés dans la partie turbine des moteurs, mais sont applicables à d'au- tres machines rotatives fonctionnant à température élevée. Dans les moteurs à turbine à gaz modernes, des gaz de travail à température très élevée sont produits dans une chambre de combustion et passent au travers de la partie tur- bine en aval. A l'extrémité en amont de la partie turbine, les gaz ont des températures caractéristiques de l'ordre de 13700Cou davantage. La température des gaz dans de nombreux cas dépassent les capacités de résistance des matières à partir desquelles les éléments de la turbine sont fabriqués et de tels éléments sont refrdlis avec de l'air à températu- re plus basse pour empêcher la détérioration ou la destruc- tion de ces éléments. Les aubes du rotor de la turbine à l'extrémité en amont de la partie turbine sont parmi les éléments habituellement refroidis. Les aubes s'étendent vers l'extérieur sur le ro- tor du moteur au travers du parcours des gaz de travail et sont opposées à leurs extrémités externes à un bandage sur le stator du moteur. Les jeux entre les têtes d'aubes et les bandages sont rendus nécessairement petits pour décourager les fuites des gaz de travail par-dessus les têtes et éviter une diminution du rendement aérodynamquq qui en résulte.Avec de tels petitsjeux aux têtes des aubes, en particulier pen- dant les conditions transitoires de fonctionnement du moteur, les les aubes éventuellement frottent contre le bandage qui /en- toure.Une possibilité d'interaction destructrice existe pendant un tel frottement à la fois du fait d'une déformatian mécanique de l'aube ou du bandage et du fait de la for- mation de tensions thermiques excessives pendant le moment -2 - du frottement. Les têtes d'aubes de rotor sont habituellement refroidies, comme il est montré dans les brevets US numéros 3 899 267, 3 994 622 et 4 010 531. Les bandages entourant les aubes sont habituelle- ment formés de matièrespouvant être usées par abrasion ou déformëes conçues pour s'adapter au contact par frottement avec les aubes sans interaction destructrice. Les brevets US Nos. 3 042 365, 3 854 842, 3817 719, 3 879 831 et 3 918925 montrent des exemples de telles structures. Malgré les structures et systèmes de matières développésdans le passé, les scientifiques et les ingénieurs dans l'industrie continuent à rechercher des aubes et banda- ges encore améliorés. Des aubes de rotor ayant une résistan- ce 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 la tête d'une aube de rotor est constituée par une structure à plaques o la plaque la plus externe est fabriquée en une substance abrasi- ve,capable d'user la matière du bandage qui l'entoure sans créer des tensions thermiques excessives et o une capacité de transfert de la chaleur par convection est réalisée à proximi- té de la surface de frottement potentiel à la tête de l'aube. Une caractéristique principale de la structure selon l'invention est constituée par les 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. La plaque la plus externe est fabriquée en une matière abrasive qui est capable d'user la matière pouvant être usée par abrasion du bandage qui l'entoure sans création de tensions thermique excessive, Les passages pour l'air de refroidisse- ment entre les plaques établissent un dispositif de refroidis- sement pour conduire l'énergie thermique et l'élogner des surfaces en frottement à la tête de l'aube. Des passages supplémentaires s'étendent dans la direction longitudinale au travers de la pile de plaques-pour un refroidissement sup- plémentaire. Un avantage principal de la présente invention 2V? 40'1 -3- est lapossibilité accrue de réaliser une capacité de re- froidissement efficace très près de la source de l'éner- gie thermique créée. Un refroidissement substantiel par convection est mis en oeuvre pour garantir un flux de refroidissement ininterrompu. La structure à plaques permet la formation économique d'orificesde refroidisse- ment ayant une grande aire de surface par rapport à l'aire d'écoulement. Le refroidissement par convebtion et le refroidissement peliculaire sont combinés dans certains modes de réalisation. L'utilisation d'une matière abrasive pour la plaque la plus externe diminue la possibilité de boucher les orifices disposés longitudina- lement du fait de la déformation de la matière dans les orifices. L'incorporation de matières différentes dans la région de la tête est aisément possible par les techni- ques de fabrication qui sont synergiquement adaptées pour la formation économique de passages de refroidissement complexes. 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 turbines à gaz montrant le chapeau de la tête de l'aube selon l'invention. la figure 2 est une vue agrandie de la région de la tête de l'aube de la figure 1 montrant les claques disposées dans le sens de la corde qui constituent h chapeau de la tête, des parties éclatées révélant une structure permettant le refroidissement par convectbn, incorporée dans le modèle de tête abrasive, et la figure 3 est une vue en coupe prise entre des plaques au bord d'attaque de l'aube et montrant la- conformité des passages de refroidissement latéraux aux contours du bord d'attaque de l'aube. L'aube de rotor 10 de la figure 1 est un exemple d'aube de rotor du type auquel les principes selon l'invention s'appliquent. L'aube comprend trois parties principales: La partie racine 12, la plate-forme 14 et la partie aérodynamique 16. L'extrémité externe 18 de la partie aérodynamique est appelée tête. L'aube comprend -4- une ou plusieurs cavités telles que 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 partie aérodynamique pour la distribution de l'air de refroidissement au travers de l'aube. Les cavités sont fermées à l'extrémité externe de la partie aérodynamique au moyen d'un chapeau 24 comprenant une surface 26 regardant vers l'extérieur. Dans le milieu o elle fonctionne, la partie racine 12 de l'aube est attachée à un disque de rotor (non représenté) d'un moteur à turbine à gaz, la partie aérodynamique 16 s'étendant au travers d'un parcours annulaire des gaz de travail à l'intérieur du moteur. La partie plate-forme 14 forme une partie de la limite interne de ce parcours. La limite externe de ce parcours est constituée en partie par. un bandage (également non représenté) qui s'oppose à la surface externe de la tête de l'aube et disposé très près de celle-ci. Le bandage entourant l'aube typiquement comprend un revêtement en une matière pouvant être usée par abrasion déposée sur celui-ci et que la tête de l'aube use pendant les conditions de fonctionnement transitoire. Dans le mode de réalisation de l'invention repré- senté par la figure 2, la partie aérodynamique 16 est fabriquée à partir d'une pluralité de plaques28 disposées longitudinalement qui sont soudées par des techniques convenables telles que le soudage par diffusion. Similaire- ment,le chapeau 24 de la tête est fabriqué à partir d'une pluralité de plaquesdisposées dans le sens de la corde, comprenant une plaque 30 la plus externe et une ou plusieurs plaques 32 internes qui sont empilées dans le sens longitudinal. Deux plaques internes sont représentées. Le chapeau de la tête ferme les extrémités externes de la cavité 20 du bord d'attaque et de la cavité 22 du bord arrière. Les plaques 32 internes sont réalisées en une matière métallique comparable ou identique à la matière à partir de laquelle la partie aérodynamique de l'aube est fabriquée. La plaque la plus externe 30 est réalisée en une matière abrasive, par exemple du carbure de silicium encé- 24 40 4 -5- tré dans une gangue métallique. La surface 26 regardant vers l'extérieur convient pour un engagement par frotte- ment avec le bandage opposé à l'aube. Les plaques sont soudées, par exemple, l'une à l'autre et aux plaques de la partie aérodynamique disposée longitudinalement, également par les techniques convenables telles que le soudage par diffusion. Des passages latéraux 34 pour le déplacement de l'air de refroidissement depuis les cavités internes sont formés à l'interface 36 entre une paire d'éléments de plaques adjacents. Les passages latéraux du mode de réalisa- tion représenté s'étendent depuis l'intérieur de l'aube à une des cavités pour l'air de refroidissement et latéra- lement vers la surface latérale 38 de pression de la partie aérodynamique. Dans certains modes de réalisation, les passages latéraux peuvent s'étendre aussi bien jusqu'au côté d'aspiration de l'aube, bien que, comme il sera décrit ultérieurement, une combination de décharge radiale et de décharge du côté de pression est admise comme étant préférable du point de vue de la performance aérodynamique. Les passages recouvrent une partie significative de la section transversale de la partie aérodynamique au chapeau de la tête pour établir un refroidissement sub- stantiel à proximité de la surface 26 regardant vers l'extérieur et susceptible de frotter. Des passages supplé- mentaires 40 s'étendent essentiellement dans la direction longitudinale à partir d'une ou plusieurs cavités de re- froidissement. Les passages peuvent être évasés lorsque cela est faisable pour augmenter la capacité de refroidissement par convection dans la structure du chapeau de la tête. Dans le but d'établir une capacité de refroidissement par convection significative au bord arrière de la tête 18, un passage 42 est prévu. Des passages 44 s'étendent dans une direction essentiellement longitudinale au travers du chapeau de la tête à partir du passage 42. Comme on l'a représenté, les passages peuvent également être évasés pour augmenter la capacité de refroidissement par convection. Selon un mode de réalisation préféré comme on l'a montré, le passage 42 est effilé pour que sa section 24Q t.O.4 -6- transversale diminue au bord arrière. La section transver- sale décroissante aide à maintenir le gradient de pression au travers de la tête entre le passage (42) et les condi- tions ambiantes à l'extérieur de la partie aérodynamique. Comme on l'a montré dans la figure 3, les passages latéraux les plus en avant du bord d'attaque de l'aube sont courbés dans le sens de la corde pour suivre très étroitement le contour du bord d'attaque de la partie aérodynamique. Des débits de transfert de chaleur très élevés et un refroidissement par convection accru enrésultent. La structure du chapeau selon l'invention est très avan- tageuse par sa capacité d'établir un refroidissement par convection substantiel très près des endroits o la chaleur peut être créée. Une unité de refroidissement pour éliminer l'énergie thermique des endroits générateurs de chaleur est établie par les passages multiples et en par- ticulier par les passages d'étendant latéralement 34 de la figure 2. Une zone plane à refroidissement par convection sensiblement uniforme est réalisée dans ceux-ci. La structu- re à plaques est bien adaptée pour la fabrication de ces passages en particulier aux interfaces entre les plaques ou les passages de géométrie et contours complexes peuvent être formés, par exemple par décapage, avant que les plaques ne soient soudées. La mise en place de l'unité de refroidissement près des surfaces de frottement, comme c'est le cas dans la présente invention, permet de dissiper la chaleur sans destruction de la matière de la tête de l'aube. Une densité élevée de passages est nécessaire pour garantir un refroidissement par convection adéquat. Bien qu'un nombre moindre de passages a été montré dans les structures connues dans la technique qui n'ont pas été réaliséesavec des plaques, de telles structures typiquement comptent sur au moins une contribution substantielle des techniques de refroidissement pelliculaire pour protéger les surfaces externes de l'aube contre les gaz de travail à température élevée.La structure décrite ici admet que pendait un frottement, le refroidissement pelliculaire sur la tête de l'aube est interrompu précisément au moment o 7- une capacité maximum d'élimination de chaleur est requise. Une telle interruption de la capacité de refroidissement est sensiblement évitée en utilisant le refroidissement par passageslatéraux. Selon un autre aspect de l'invention, il est admis que la décharge de l'air de refroidissement vers le côté d'astirtnd'uie aube de rotor diminue le rende- ment aérodynamique de l'aube en encourageant une accumula- tion de couche d'air le long du côtéd'asprafrn de l'aube. Une telle décharge a été évitée autant que possible dans la structure selon l'invention par une combinaison efficace de passages latéraux 34 vers le côtéepression de l'aube et de passages 40 et 44 disposés longitudinalement sortant de la tête de l'aube. Seule une décharge limitée est réalisée vers le côtéd'aspirain de l'aube au bord d'attaque. Les modes de réalisation à chapeau de tête d'aube selon l'invention sont représentés en combinaison avec une aube fabriquée par les techniques utilisant des plaques radiales. Les principes sont parfaitement adapta- bles à des systèmes de matières et des techniques de fabrication employées avec des structures à plaques radiales et, comme telles, vraisemblablement trouvent leur plus grande utilité dans ce domaine. Les principes connus dans le domaine des aubes à plaquesradialessont ceux décrits dans les brevets US numéro 3 872 563 et 4 203 706. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux aubes de-rotor qui viennent d'être décrites uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. 24 49 4 -8- Revendications: 1. Aube de rotor du type comprenant au moins une cavité longitudinale s'étendant depuis la racine jusqu'à la tête de l'aube pour distribuer de l'air de refroidissement, caractérisée par le perfectionnement consistant en un chapeau 24 disposé sur l'extrémité de la tête de la cavité (20,22) et constitué par une pluralité de plaques (30,32) disposées dans le sens de la corde et empilées dans la direction lontitudinale, o la plaque (30) la plus externe de cette pluralité de plaques (30,32) est fabri- qzée en une matière abrasive et o au moins deux de ces plaques (32) comprennent une pluralité de passages de refroidissement latéraux (34) formés entr'elles pour le déplacement de- l'air de refroidissement depuis la cavité longitudinale (20,22) vers le côté de pression de l'aube. 2. Aube de rotor selon la revendication 1, caractérisée en ce que ces plaques (30,32) comprennent au moins un passage de refroidissement latéral supplémentaire (34) formé entr'elles qui est orienté de façon à pouvoir décharger l'air de refroidissement depuis la cavité longitudinale (20,22) vers le côté d'aspiration de l'aube. 3. Aube de rotor selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins un de ces passages de refroidissement latéraux (34) est disposé au bord d'attaque de l'aube et a une géométries'adaptant au contour du bord d'attaque le long du côté de pression de l'aube. 4. Aube de rotor selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'au moins un de ces passages de refroidissement latéraux (34) est disposé au bord d'attaque de l'aube et a une géométrie qui s'adapte au contour du bord d'attaque le long du côté d'aspiration de l'aube. 5. Aube de rotor selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisée en ce que ces plaques (32) comprennent en outre des passages supplémentaires (40) disposés longitudinalement au travers du chapeau depuis une des cavités longitudinales (20,22). 6. Aube de rotor selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, un passage (42) dans les plaques, disposé dansle sens de la corde depuis la 249'439 -9- cavité (22) vers le bord arrière de la tête et un second passage de refroidissement supplémentaire (44) disposé lon- gitudinalement depuis ce passage (42) de façon à permettre la décharge de l'air de refroidissement depuis la cavité via le passage (42) dans la direction longitudinale depuis la tête au bord arrière. 7. Aube de rotor selon la revendication 5, caractérisée à ce que ce passage (42) est effilé de sorte que la section transversale diminue vers le bord arrière de l'aube.