Brevet FR2516165A1 — publié le 19830513

- AUBE DE TURBINE A GAZ A CHAMBRE DE REFROIDISSEMENT PAR CIRCULATION DE FLUIDE ET SON PROCEDE DE REALISATION L'invention concerne, d'une façon générale, les aubes de turbine à gaz comportant au moins une chambre prévue pour la circulation d'un fluide réfrigérant, celui-ci pouvant être notamment de l'air obtenu par dérivation d'une fraction du flux délivré par le compresseur accouplé à la turbine L'expression "aubes de turbine" englobe ici aussi bien les aubes fixes d'un étage distributeur que les aubes mobiles d'une roue. L'invention concerne plus particulièrement: un procédé de réalisation de telles aubes, des éléments d'aube (demi-aubes) utilisés pour la mise en oeuvre de ce procédé et les aubes obtenues par ce procédé. A noter que le terme "demi-aube" employé dans ce qui suit ne doit pas être pris au sens mathématique du mot "demi" et qu'il s'agit en fait de deux éléments différents englo- bant, pour l'un, l'intrados et pour l'autre l'extrados. On connait déjà, notamment par le brevet français délivré sous le nô 1 276 994, une aube de turbine à gaz dans laquelle sont ménagés: une chambre de circulation de fluide réfrigérant (air) parcourant l'aube dans sa longueur et proche du bord d'attaque, un premier conduit rectiligne situé entre ladite chambre et le bord d'attaque et parallèle à celui-ci et une fente de communication entre ledit conduit et ladite chambre. 2 - Cette aube peut comporter en outre une chambre de circulation de fluide réfrigérant par- courant l'aube dans sa longueur et proche du bord de fuite, un deuxième conduit rectiligne situé entre ladite chambre et le bord de fuite, parallèle à celui-ci et débouchant par des lumières dans le bord de fuite et une fente de communication entre ledit conduit et ladite chambre. Pour faciliter la réalisation des chambres, l'aube est réalisée par brasage de deux demi-aubes de formes com- plémentaires dont l'une porte l'extrados et l'autre l'intrados; les sections courantes des chambres sont réparties dans l'une et dans l'autre demi-aube qui sont brasées l'une à l'autre dans des zones voisines du bord d'attaque et du bord de fuite Mais on remarque que l'in- terface des deux demi-aubes subit des décrochements tels que le premier conduit rectiligne et la fente correspon- dante sont entièrement situés dans la demi-aube qui porte l'extrados; il en est de même dans la zone des lumières du bord de fuite. Les raisons de cette disposition de l'interface ne sont pas indiquées dans ledit brevet Il est vraisemblable qu'il s'agit d'une précaution visant à obtenir un accos- tage précis des deux demi-aubes, les décrochements de l'interface jouant le rôle de butées, ainsi qu'à éviter l'obstruction partielle ou totale des conduits et des lumières par la brasure. Mais cette disposition d'interface complique notablement la réalisation des faces d'assemblage des demi-aubes, l'usi- nage du premier conduit qui doit être percé de part en part dans la longueur de l'aube ett l'usinage des lumières 2516 165 3- du bord de fuite qui doivent être percées à partir de celui-ci. Un premier objet de l'invention est un procédé de réali- sation d'une aube de turbine du genre précité, c'est-à- dire dans laquelle sont ménagés: - une chambre de circulation de fluide réfrigérant par- courant l'aube dans sa longueur et proche du bord d'attaque, un premier conduit rectiligne proche du bord d'attaque et parallèle à celui-ci et au moins un orifice de communication entre ladite chambre et ledit conduit, ledit procédé consistant à la manière connue, en l'assem- blage de deux demi-aubes de formes complémentaires dont l'une porte l'extrados et l'autre l'intrados, la section courante de ladite chambre étant répartie dans l'une et dans l'autre demi-aube. La disposition caractérisante dudit procédé consiste en ce que, en vue de permettre la réalisation dudit premier con- duit et dudit orifice (ou desdits orifices) par gravure de sillons dans la face d'assemblage d'au moins l'une des demi-aubes préalablement à cet assemblage, l'interface des deux demi-aubes est conformé de telle sorte qu'il passe par les sections courantes dudit premier conduit et dudit orifice et au voisinage de la génératrice amont du bord d'attaque. Cette disposition nouvelle du procédé de l'invention se justifie par la possibilité, moyennant certaines précau- tions qui seront décrites plus loin, d'assembler par bra- sage deux demi-aubes sans les déformer et sans obturer les sillons préalablement gravés dans l'une ou l'autre des 4- surfaces à braser. Si l'aube à réaliser doit comporter en outre une chambre de circulation de fluide de refroidissement parcourant l'aube dans sa longueur et proche du bord de fuite, un deuxième conduit rectiligne situé entre ladite chambre et le bord de fuite et parallèle à celui-ci, et au moins un orifice de communication entre ledit deuxième conduit et ladite chambre. Le procédé de l'invention est en outre caractérisé en ce que l'interface des deux demi-aubes est conformé de telle sorte qu'il passe par les sections courantes dudit deu- xième conduit et dudit orifice, au voisinage de la géné- ratrice aval du bord de fuite et éventuellement par les sections courantes des lumières qui débouchent par le bord de fuite. Les avantages du procédé de l'invention sur le procédé qui faisait l'objet du brevet précité sont les suivants la réalisation des conduits, des orifices et des lumières est grandement facilitée, la nécessité de prévoir des décrochements dans l'inter- face disparaît, il devient possible de multiplier le nombre des orifices de communication entre chambres et conduits et d'agir sur leur répartition pour assurer un refroidissement aussi efficace que possible du bord d'attaque et du bord de fuite, et si, selon une disposition déjà connue, des canaux rectilignes sont ménagés à partir du premier conduit pour déboucher dans la zone amont de l'extrados afin de refroidir cette zone par léchage et par dilution, il devient possible d'usiner ces canaux par perçage à 16 165 * - partir dudit premier conduit; non seulement leur réalisation est considérablement facilitée, mais en outre ils peuvent être orientés de telle sorte que leur direction soit aussi proche que possible de celle du flux de gaz au voisinage de ladite zone amont et leur efficacité est notablement accrue. Un deuxième objet de l'invention est une demi-aube (et une paire de demiaubes de formes complémentaires) dont la face d'assemblage est conformée de telle sorte que l'interface présente les caractéristiques déjà définies à l'occasion de la caractérisation du procédé de l'invention. Un troisième objet de l'invention est une aube de turbine à gaz constituée par l'assemblage par brasage de deux demi-aubes de formes complémentaires dont l'interface présente lesdites caractéristiques. D'autres dispositions avantageuses, relatives notamment à la mise en oeuvre du procédé de l'invention, seront évo- quées dans la description qui suit d'exemples de réali- sation d'une aube conforme à l'invention, en relation avec les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une section courante agrandie d'une aube de turbine à gaz réalisée conformément à l'in- vention par assemblage de deux demi-aubes A et B, la figure 2 est une section partielle à plus grande échelle de la zone amont de ladite aube, la figure 3 est une vue dans la même zone et à la même échelle de la face d'assemblage de la demi- aube A, 6 - la figure 4 montre des sections partielles, à plus grande échelle que la figure 2, des deux demi-aubes utilisées pour la réalisation de ladite aube et vues immédiatement avant accostage et brasage, et la figure 5 montre à la même échelle les mêmes sections partielles après brasage. On considère simultanément les figures 1, 2 et 3 L'aube, en.superalliage à base de nickel ou de cobalt, comporte trois chambres de circulation d'air, à savoir la chambre amont 11, la plus proche du bord'd'attaque BA, la chambre aval 13, la plus proche du bord de fuite BF et la chambre médiane 12 Des nervures 14 et 15 séparent respectivement la chambre Il de la chambre 12 et celle-ci de la chambre 13. La portion d'aube délimitée par le bord d'attaque BA et par la chambre 11 est parcourue par un conduit 21 qui communique avec cette chambre par une pluralité d'orifices 22 et qui permet le refroidissement dudit bord d'attaque par impact d'une fraction du flux d'air issu de ladite chambre Une pluralité de canaux rectilignes 23 prennent naissance dans le conduit 21 et débouchent le long d'une génératrice de la zone amont de l'extrados EX qu'ils re- froidissent par léchage de la paroi. Quant à la portion d'aube délimitée par le bord de fuite BF et par la chambre 13, elle est parcourue par un conduit 31 qui communique avec cette chambre par une pluralité d'orifices 32 Une pluralité de lumières 33 prennent nais- sance dans le conduit 31 et débouchent dans la génératrice aval dudit bord de fuite Préférentiellement les lumières 33 sont décalées le long de la génératrice du bord de 7- fuite par rapport aux orifices 32, par exemple de façon à déboucher dans le conduit 31 au milieu de l'intervalle séparant les orifices 32 Pour des raisons de facilité du dessin, les orifices 32 et les lumières 33 sont ramenés tous deux dans le plan de la coupe Dans une solution pré- férée, les conduits 21 et 31 sont rectilignes. On remarque que les parties terminales de l'aube (talon en tête et sapin au pied) ne sont pas représentées Cette omission est intentionnelle, l'invention s'appliquant éga- lement aux cas o l'aube est une aube fixe appartenant à un aubage directeur ou une aube mobile appartenant à une roue de turbine. L'aube représentée est constituée par l'assemblage des deux demi-aubes moulées A et B dont la première porte l'extrados EX et l'autre l'intrados IN Conformément à l'invention, leur interface passe par la surface continue SM qui est située au plus près de la génératrice amont du bord d'attaque BA et de la génératrice aval du bord de fuite BF et qui coupe sensiblement la nervure 14 en deux moitiés 14 A et 14 B et la nervure 15 en deux moitiés 15 A et B Ces moitiés de nervures sont en dépouille pour faci- liter la réalisation par moulage des deux demi-aubes Dans le mode de réalisation représenté les conduits 21 et 31, les orifices 22 et 32 et les lumières 33 ont une section cylindrique située pour moitié dans la demi-aube A et dans la demi-aube B (par exemple 21 A et 21 B, 22 A et 22 B), ce qui permet leur réalisation, par exemple par gravure, de sillons semi-circulaires dans les surfaces d'assemblage des deux demi-aubes préalablement a l'assemblage Les canaux 23 ont aussi une section circulaire et sont aisé- ment réalisables par perçage à partir du fond de la demi- section de conduit 21 A. 16165 8 - La réalisation de l'aube comprend donc les opérations principales suivantes: fabrication des demi-aubes A et B par moulage, préparation des surfaces situées sur l'interface SM, gravure des conduits, orifices et lumières 21, 22, 31, 32 et 33, perçage des canaux 23 a partir du fond de la demi- section 21 A et enduction des gravures par une couche d'un produit antimouillant, accostage et brasage des zones de contact des demi-aubes dans les régions du bord d'attaque et du bord de fuite, et traitement thermique de-diffusion. On donne ci-après, en référence aux figures 4 et 5, quel- ques indications complémentaires sur certaines de ces opé- rations. Si les conduits et orifices aménagés par gravure, par exemple 21 A, 21 B, 22 A, 22 B, ont une faible section (infé- rieure à quelques millimètres carrés), il est préférable que la préparation des surfaces comprenne une rectifica- tion des portions de surface à braser Les figures 4 et 5 concernent le cas o les sections de ces conduits et ori- fices sont circulaires, ce qui impose de les ménager pour moitié dans la demi-aube A et pour moitié dans la demi- aube B Mais si les formes de ces sections le permettent, elles peuvent évidemment être ménagées dans une seule demi-aube De toutes façons, on peut utiliser tout mode de gravure adéquat (fraisage, usinage électrochimique ou par électro-érosion, etc) Quant aux canaux 23, on peut les réaliser par tout moyen de perçage approprié choisi en fonction de leur diamètre et de leur profondeur. Le dépôt de produit "anti-mouillant" AM dans les gravures et-constitué par une poudre d'oxyde réfractaire, par 9 - exemple de l'alumine, projetée au pistolet en suspension dans un liquide volatil et non polluant tel que l'alcool éthylique Les surfaces à braser sont alors nettoyées. La couche intermédiaire de métal d'apport servant au bra- sage peut être mise en place sous diverses formes, à sa- voir: flash électrolytique sur au moins l'une des demi-aubes si les surfaces à braser sont quasi-jointives (jeu J très faible), feuillard du commerce si le jeu J est régulier et par- tout inférieur à 100 microns par exemple, et, si le jeu est irrégulier, ruban ou pâte obtenus par dispersion de la poudre d'alliage de brasure dans une résine pyrolysable ne laissant pas de résidu carboné. On peut aussi disposer la pâte ou le ruban pour former un cordon C qui entoure le joint et qui s'écoule entre les demi-aubes lors du traitement thermique de brasage. Si les conduits et orifices aménagés par gravure sont réellement très fins (section inférieure au millimètre carré), le dépôt anti-mouillant peut ne pas suffire pour éviter une obstruction partielle: Il importe alors que la quantité de métal d'apport soit strictement limitée La solution la plus efficace consiste, à la manière connue, à utiliser un métal d'apport sous forme de fil calibré dont on détermine la longueur de coupe par des essais préa- lables. En ce qui concerne la composition du métal d'apport, des essais entrepris avec des demi-aubes en superalliage à base de nickel (nuance NK 15 CA Tu) ou de cobalt (KC 25 NW Ta et KC 25 NW) ont montré que les meilleurs résultats sont ob- tenus avec l'alliage suivant (à condition toutefois que - le jeu J ne dépasse pas 100 microns), en proportions pondérales pour cent 3,5 B; 15 Cr; reste Ni qui est un eutectique dont le point de fusion est de 10550 C, les paramètres de traitement étant les suivants (en four sous vide): brasage: 15 minutes à 12000 C diffusion 16 heures à 11600 C. Lorsque le jeu J est irrégulier et important, on peut utiliser la composition de brasage suivante 3 B; 4,5 Si; 20 Co; reste Ni mais des porosités peuvent subsister dans le joint de brasage qui sont vraisemblablement dues à ce que cette composition n'est pas eutectique et à ce que la quantité de métal fondu lors du brasage est relativement impor- tante Il est alors préférable d'utiliser le procédé de brasage décrit dans la demande de brevet français enre- gistrée le 26 août 1981 sous le numéro 81 16283. on rappelle que ledit procédé consiste à utiliser comme matériau d'apport un mélange intime de deux poudres d'al-. liage en proportions pondérales sensiblement inégales, à savoir: dans la plus forte proportion, une poudre de super- alliage dite "poudre de base" de composition proche de celle du superalliage des pièces et ne contenant sub- stantiellement pas d'élément d'apport (ou fondant) et, dans la plus faible proportion, une poudre d'alliage dite "poudre d'apport" contenant, outre du nickel et/ou du cobalt, l'élément d'apport à une teneur telle que la température de liquidus de cette poudre d'apport est inférieure à la température de solidus du superalliage des pièces à assembler (ici les demi-aubes) et de la poudre de base. il - On ne rappellera pas ici les motifs (qui sont donnés en détail dans ladite demande de brevet) pour lesquels ce procédé donne de bons résultats même si le jeu J est im- portant Pour l'assemblage de deux demi-aubes en super- alliage à base de cobalt KC 24 NW Ta, les meilleurs résultats sont obtenus avec une composition de mélange d'apport sui- vante % (en proportion pondérale) de poudre de base en superalliage KC 25 NW et 5 % de poudre d'apport en alliage de composition pondérale pour cent: 17 Co; 4 Si; 2,7 B reste Ni. Les paramètres de traitement sont les suivants: brasage: 15 minutes à 1200 C diffusion: 15 heures à 1200 'C. Quel que soit le procédé de brasage utilisé, il peut être utile de recharger le contour du joint brasé, soit pour combler de légers "manques", soit pour faire disparaître un décrochement des bords des deux demi-aubes, tel que celui montré en D sur la figure 5 Cette recharge est réa- lisée après le traitement thermique de brasage et avant le traitement thermique de diffusion au moyen d'un cordon d'une pâte contenant une poudre de métal d'apport en sus- pension dans une résine pyrolysable Le métal du cordon fond et s'écoule au cours du traitement thermique de diffu- sion pour combler les manques et/ou masquer le décroche- ment. 16165 12 - REVENDICATIONS 1 Procédé de réalisation d'une aube métallique de turbine à gaz dans laquelle sont ménagés: une chambre de circulation de fluide de refroidissement parcourant l'aube dans sa longueur et proche du bord d'attaque, un premier conduit situé entre ladite chambre et le bord d'attaque et parallèle à celui-ci, et au moins un orifice de communication entre le conduit et la chambre consistant en l'assemblage de deux demi-aubes de formes complémentaires (A, B) dont l'une porte l'extrados (EX) de l'aube et l'autre l'intrados (IN), la section courante de la chambre ( 11) étant répartie dans l'une et dans l'autre demi-aube, caractérisé en ce que, en vue de permettre la réalisation dudit premier conduit et dudit orifice par gravure de sillons dans la face d'assemblage d'au moins l'une des demi-aubes (A, B), ledit premier conduit ( 21) et ledit orifice ( 22) sont situés de telle sorte que l'interface (SM) des deux demi-aubes passe par leurs sections cou- rantes. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interface (SM) passe au voisinage de la génératrice amont du bord d'attaque (BA). 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, l'aube devant comporter une chambre de circulation de fluide de refroidissement parcourant l'aube dans sa longueur et proche du bord de f uite, -.un deuxième conduit situé entre ladite chambre et le bord de fuite et parallèle à celui-ci, 13 - au moins un orifice de communication entre ledit deuxième conduit et ladite chambre, et une pluralité de lumières de communication entre ledit deuxième conduit et le bord de fuite, et la section courante de ladite chambre ( 13) étant répar- tie dans l'une et dans l'autre demi-aube, ledit deuxième conduit ( 31), ledit orifice ( 32) et les- dites lumières ( 33) sont situés de telle sorte que l'interface (SM) passe par leurs sections courantes. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'interface (SM) passe au voisinage de la génératrice aval du bord de fuite (BF). Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le premier conduit 21 et le deuxième conduit 31 sont rectilignes. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les sections courantes desdits conduits ( 21, 31) sont ménagees par gravure de sillons dans les faces d'assemblage des deux demi-aubes (A, B). 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 6, caractérisé en ce que, la demi-aube qui porte l'ex- trados comportant au moins un canal rectiligne ( 23) re- liant le premier conduit rectiligne ( 21) à la région amont de l'extrados (EX), ledit canal est ménagé par perçage à partir de la face d'assemblage de ladite demi-aube. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caractérisé en ce que, l'aube étant en superalliage a base de nickel et/ou de cobalt, il comporte les phases suivantes X 14 - réalisation des deux demi-aubes de formes complémen- taires, gravure dans la face d'assemblage d'au moins l'une des demi-aubes des sillons destinés à former des conduits et/ou des orifices, enduction des parois des sillons au moyen d'un dépôt évitant leur mouillage par le métal d'apport fondu, mise en place des demi-aubes et de la source d'alliage de brasage, traitement thermique de brasage-diffusion. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la source d'alliage de brasage-diffusion est un mélange de deux poudres d'alliage, à savoir une poudre de super- alliage de composition voisine de celle du superalliage de l'aube et une poudre d'alliage à base de cobalt et/ou de nickel contenant un élément d'apport qui la rend plus fusible que lesdits superalliages. 10 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la source d'alliage de brasage-diffusion est consti- tuée par une longueur déterminée d'un fil calibré d'al- liage de brasage. 11 Aube de turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle est réalisée au moyen d'un procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 10. 12 Demi-aube métallique destinée à réaliser par brasage diffusion avec une autre demi-aube de forme complémen- taire, une aube de turbine à gaz dans laquelle sont mé- nagés une chambre de circulation de fluide de refroidissement parcourant l'aube dans sa longueur, proche du bord d'at- taque et dont la section courante est répartie entre l'une et l'autre demi-aube, - un premier conduit situé entre ladite chambre et le bord d'attaque et parallèle à celui-ci, et au moins un orifice de communication entre ledit premier conduit et ladite chambre, caractérisé en ce que, en vue de permettre la réalisation d'au moins une portion de la section courante dudit pre- mier conduit ( 21) et d'au moins une portion de la section courante dudit orifice ( 22) par gravure de sillons dans la face d'assemblage de ladite demi-aube préalablement à l'assemblage, l'interface (SM) de ladite demiaube avec l'autre demi-aube passe par lesdites sections courantes. 13 Demi-aube selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'interface (SM) partage lesdites sections cou- rantes. 14 Demi-aube selon la revendication 12 ou la revendica- tion 13, comportant l'extrados (EX) de l'aube et carac- térisée en ce qu'au moins un canal rectiligne ( 23) reliant ladite portion de section du premier conduit ( 21) à la région amont de l'extrados y est ménagé. Demi-aube selon l'une des revendications 12 à 14 caractérisée en ce que le premier conduit 21 est recti- ligne. 16 Paire de demi-aubes de formes complémentaires des- tinées à être assemblées par brasage-diffusion pour cons- tituer une aube de turbine dans laquelle sont ménagés une chambre de circulation ( 11) de fluide de refroidis- sement proche du bord d'attaque (BA) de l'aube, ménagée pour partie dans l'une des demi-aubes et pour partie dans l'autre demi-aube, un premier conduit ( 21) ménagé entre ladite chambre et le bord d'attaque de l'aube, 16 - au moins un orifice de communication ( 22) entre ledit conduit et ladite chambre, caractérisée en ce que au moins l'une des demi-aubes est conforme à l'une quelconque des revendications 12 ou 13. 17 Aube de turbine dans laquelle sont ménagés une chambre de circulation de fluide de refroidissement proche du bord d'attaque, un premier conduit rectiligne situé entre ladite chambre et le bord d'attaque et parallèle à celui-ci, au moins un orifice de communication entre le conduit et la chambre, du genre constitué par l'assemblage par brasage-diffusion de deux demi-aubes de formes complémentaires (A, B), la- dite chambre ( 11) étant ménagée pour partie dans l'une des demi-aubes et pour partie dans l'autre demi-aube, caractérisée en ce que, en vue de faciliter la réalisation du conduit ( 21) et de l'orifice ( 22), l'interface d'assem- blage (SM) des deux demi-aubes passe substantiellement par la génératrice amont du bord d'attaque (BA) et passe par la section du conduit ( 21) et par la section de l'orifice ( 22). 18 Aube de turbine selon la revendication 17 comportant en outre une chambre de circulation de fluide de refroidissement proche du bord de fuite et ménagée pour partie dans - l'une des demi-aubes et pour partie dans l'autre demi- aube, un deuxième conduit 31 ménagé entre ladite chambre et le bord de fuite et parallèle à celui-ci, et au moins un orifice de communication entre ledit con- duit et ladite chambre, caractérisée en ce que l'interface d'assemblage (SM) passe substantiellement par la génératrice aval du bord de fuite 17 (BF) et en ce qu'au moins une portion de section dudit conduit ( 31) et au moins une portion de section dudit orifice ( 32) sont gravées dans la face d'assemblage d'au moins l'une des demi-aubes. 19 Aube de turbine selon la revendication 18 caractérisée en ce que le conduit 31 est rectiligne. Aube selon l'une des revendications 17 a 19 caracté- risée en ce qu'au moins un canal rectiligne ( 23) relie le premier conduit rectiligne ( 21) à la région amont de l'ex- trados (EX). 21 Aube selon l'une quelconque des revendications 17 à 20 caractérisée en ce que les sections des conduits et des orifices sont formées par des sillons gravés dans les fa- -ces d'assemblage de l'une et de l'autre demi-aube.