Brevet FR2533262A1 — publié le 19840323

Perfectionnements apportés aux organes aérodynamiques re- froidis de turbomachines A gaz. La présente invention concerne des organes aérodynamni- ques refroidis de turbomachines à gaz telles que des aubes de rotor et des ailettes de stator. Une forme particulière du refroidissement du bord avant d'une aube refroidie est le refroidissement par films o-i plusieurs passages d'air de refroidissementode faible diamètre sont espacés le long du bord avant de l'aube et s'étendent dans le sens de la profondeur à l'intérieur de l'aube pour communiquer avec une conduite d'alimentation d'air de refroidissement commune s'étendant longitudinale- ment par rapport à l'aube L'air qui va des ouvertures de sortie des passages au bord avant s'écoule vers l'arrière sur les deux flancs de l'aube, déterminant ainsi la forma- tion d'un film de refroidissement sur les deux faces de l'aube. Un problème qui est lié A ce type de système vient des débris ingérés par le compresseur du moteur ou provenant des revêtements du compresseur qui peuvent subir une érosion, qui sont chauffés dans la chambre de combustion, viennent heurter les bords avant des aubes de la turbine A l'état fondu ou amolli et se collent sur les aubes Ceci provoque éventuellement le blocage des sorties des passages d'air de refroidissement, privant la région du bord avant de son film de refroidissement et déterminant une surchauffe de l'aube avec réduction correspondante de sa durée de vie u- tile. Diverses tentatives ont été faites pour résoudre ce problème, y compris l'élargissement des passages et la con- formation de la sortie de chaque passage en cloche Chacune de ces solutions a apporté une amélioration marginale due à l'augmentation de la surface du courant d'air cde refroidis- sement, mais dans le premier cas, le rendement du refroidis- sement par l'air passant par les trous élargis était plus faible, et dans le second cas, le taux d'accumulation de dé- bris était plus important malgré le fait que l'aire initiale -e sortie ait 6 té plu iiportante C'es-t pourquoi ni l'ine ni l'autre de ces cdeux modifications ne s'est avérée acceptable. Le but de la présente invention est de proposer des mo- yens pour réduire le blocage des passages d'air de refroidis- sement qui sont adjacents au bord avant du plan aérodynamique refroidi de, la trrbomachine a gaz sans que ceci porte préju- dice au rendemeent d'ensemble du refroidissement de l'aube. Ce but est atteint par l'invention en prévoyant une ou plusieurs fentes s'étendant longitudinalement par rapport au plan aérodynamiqiue et intersectant au moins certains des pas- sages d'air de refroidissement, les sorties des passages in- tersectés communiquant avec la fente. La largeur et la profondeur de la fente peuvent varier dans une gaimmre de valeurs qui dépend de l'angle selon lequel les débris s'approchent du plan aérodynamique et de la pres- sion disponible de l'air de refroidissemenit qui est envoyé dans les passages d'air de refroidissement. L'invention sera maintenant décrite plus particulière- mrent et a titre d'exemple uniquement en référence aux des- sins ci-annexés dans lesquels: La figure I est une vue en coupe d'une aube de rotor de turbine selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe l plus grande échelle selon la ligne IIII de la figure l, La figure 3 est une vue à plus grande échelle encore uniquement du bord avant de l'aube de la figure 2, et La figure l est une vue semblable à celle de la figure 3 d'une aube non modifiée, Les figures 5 et 6 sont des vues en direction des bords avant de deux aubes fente correspondant S des variantes. Si l'on se réfère maintenant aux dessins, l'aube de ro- tor 7 e la turbine de la figure 1 comprend une partie ( 2) for- riant une surface aérodynarrmique et une partie ( 4) formant ra- cine, avec une enveloppe classique (I) et une plate-forme ( 8). A l'intérieur de l'aube sont prévues plusieurs conduites d'aliî-entation (AB et C) s'étendant longitudinalement, pou- vant avoir toute forme désirée, et que l'on peut disposer selon tout motif souhaité, sauf que la conduite (A) est constituée à proximité du bord avant ( 10) de l'aube. Les conduites d'alimentation d'air de refroidissement (A, B et C) traversent à la fois les parties constituant le plan aérodynamique et la racine de l'aube pour envoyer l'air de refroidissement vers l'aube en partant de la turbomachine (non représentée),dont l'aube fait partie. Partant de la conduite d'alimentation d'air de refroi- dissement (A), l'air de refroidissement est dirigé vers l'ex- térieur de l'aube, sur son bord avant, en passant par plu- sieurs passages d'air de refroidissement ( 12) s'étendant dans le sens de la profondeur de l'aube Les passages d'air de refroidissement ( 12)sont espacés dans le sens longitudinal de l'aube Une fente ( 14) est découpée dans le bord avant de l'aube pour intersecter les passages d'air de refroidissement ( 12), de manière que les sorties ( 13) des passages débouchent dans la base de la fente. L'accumulation de débris est la plus importante A pro- ximité de la partie située à la moitié de l'envergure et à la pointe de l'aube, ce qui fait qu'il peut ne pas être né- cessaire que la fente soit disposée sur la totalité de la longueur de l'aube Ainsi, la partie du bord avant qui est proche de la racine de l'aube peut ne pas être munie de fente. En réglant la largeur et la profondeur des fentes en fonction du vecteur d'approche relatif des débris, il a été constate que l'accumulation des débris dans les passages, bien qu'ellene soit pas évitée, est très réduite Les débris s'accumulent comme indiqué en ( 16) sur la surface de l'aube et dans la fente, et l'on peut voir que bien qu'il y ait blocage de la fente, les passages ( 12) eux-mêmes ne sont que marginalement affectés On peut voir a la figure 4 qu'une aube non modifiée et essayée simultanément côte à côte avec l'aube modifiée présente une accumulation importante de dé- bris A la sortie des passages (représentée en ( 20)). Ainsi, le fait de prévoir la fente,non seulement ré- duit de façon importante l'accumulation de débris dans les passages d'air de refroidissement, miais présente également I. ta vt t,re:loi) le-quel orp c Onsnrvelr polur les Passages d 'air le r efroidisser:nent le fa Tible di amètre qui est n(ces- saire poiu maintenir la pression et la vitesse optimales dlt courant d'air de refroidissemnent tout en utilisant dies quan- tites m Jilimales de ce dernier nour le refroidissement le plus efficace de la région du bord avant de l 'aube Ceci vient rde ce que le fait de pré voir la fente, dont la la'- geu Fr est de ipr felence égale au diamnètre ces passages d'air de refroiisse::e Lt, augmente l'aire de sortie du coulrant d'air de refroif'issemrent total, permettant un élargisseirent latéral de l'air de refroidissement Un autre avantage encore oetsi pnaraît dans ce cas préfér 6, vient de ce que l'aire de sortie totale eu courant d'air de refroidissement réduit la vitesse et augmente la pression statique du courant d'air de refroidissenent qli sort de la fente, ce qui aide 6 ta- blir et à maintenir des films d'air de refroidissement sur les flancs des aubes La fente doit être aussi étroite que possible pour rendre minimales d(les perturbations aerodynami- ques adverses, mais comme il y a une certaine accumulation de débris dans la fente, elle doit être suffisamment large pour que l'on soit certain que l'aire de sortie de la fente soit plus importante que la somme des aires de sortie des passages. La profondeur de la fente doit être choisie en tenant compte des positions des passages, qui n'ont pas besoin d'ê- tre N 6 cessairement au point de stagnation sur le bord avant de l'aube, gais qui peuvent être légèrement sur un côté de ce point, et du vecteur d'approche des gaz arrivants. En ce a 13 i concerne les fentes qui sont à l'aval du bora avant et dans le sillage du courant passat sur le bord avant, elles peuvent avoir une profondeur qui ne dépasse pas la moiti A du diam'tre des passages d'air de refroidissemient. En ce qui concerne les fentes qui sont au point de stagnation dcu,ord avaut, leur profondeur peut être dle deux a cinq fois le dia,-éctre (des passages Lais pour éviter la réduction de la lo,:gtier " 1 " ' des passages d'air de refroidissement qui pour- rait recuire 1 e rendea ent de l'air de refroidissement qui refroidit la région du bord avant de l'aube, les fentes n'ont pas besoin d'être plus profondes que cela est nécessaire pour minimiser le blocage des passages en fonctionnement. Selon un exemple de l'invention, les passages d'air de refroidissement avaient un diamètre de 0,305 mm ( 0,012 pouce) la fente avait une largeur de 0,355 mm ( 0,014 pouce), pour une profondeur de 0,71 mm ( 0,028 pouce), et elle s'étendait jusqu'à mi-chemin le long du bord avant de l'aube, en par- tant de la pointe. Comparée à une aube non modifiée et après la mêmle du- rée de fonctionnement, le blocage des passages de l'aube, munis d'une fente; tait inférieur de 20 par rapport au blo- cage de l'aube non modifiée, et la température maximale d 6- tectée sur le bord avant de l'aube était inférieureè celle détectée sur l'aube non modifiée. La figure 5 représente un mode de réalisation de l'aube munie d'une fente, dans lequel la fente est plus étroite que la largeur des passages Dans ce mode de réalisation, les passages ( 12) s'étendent jusqu'au bord avant de l'aube,de manière que la fente les intersecte en passant par les espa- ces qui les séparent. La figure 6 représente un autre mode de réalisation dans lequel les passages ( 12) se terminent à courte distan- ce du bord avant de l'aube et oà la fente traverse les eytr 6- mités des passages. Bien que l'invention ait été décrite avec référence à une aube de rotor, le principe de l'invention est applica- ble a toutes aubes ou ailettes de stator a surface aérodyna- mique refroidi o X l'on utilise le système de refroidissement -par film en partant de passages de refroidissement sur le bord avant. Les passages d'air de refroidissement ont été repré- sent 6 é avec une section circulaire, cas dans lequel le dia- iltre des passages est égal à leur largeur 'lais on peut u- tiliser des passages non circulaires. Bien que la fente n'ait pas besoin d'être continue, elle peut intersecter des groupes de passages en laissant une la-tuai lp-Laj) 2-ao-ra a) a, - Ebuil ariod i 1 1 1 1 1) r EVENDICATIONS - 1 Organe a 6 rodynamique refroidi de turbornachine; gaz, comprenant une conduite d'alimentation d'air de refroidis- sement interne ( 1) S vtendant longitudinalement et plusieurs passages d'air de refroidissement ( 12) qui commulniquent avec la conduite ( 1) et S 6 'étendent dans le sens de la profondeur de l'organe a 6 rodynamique et se terminent par des ouvertures ( 13) pratiqu 6 es dans la surface externe de l'organe a 6 rody- namique, a proximité de son bord avant ( 10), caractérisé par une ou plusieurs fentes ( 14) s'étendant longitudinaler ment par rapport a l'organe aérodynamique, a proximité de son bord avant ( 10) et intersectant au moins certains des passages d'air de refroidissement ( 12) , les sorties ( 13) des passages intersectés communiquant avec la fente ( 14). 2 Organe aérodynamique selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la largeur de la fente ( 1 14) est sensiblement égale A la largeur des passages d'air de refroidissement ( 12). 3 Organe aérodynamique selon la revendication 1 ou l a revendication 2, caractérisé en ce que la profondeur de la fente ( 14) est située dans la gamme comprise entre la moitié et cinq fois la largeur des passages d'air de refroidissement ( 12). 4 Organe aérodynamique selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que la fente ( 1/i) s'étend de la région de pointe de l'organe aérodynamique jusqu'A au moins une région située A la moitié de son enver- gulre. Organe aérodynamique selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est une aube de rotor de turbine. 6 Organe aérodynamique selonles revendicationsl A 4, caractérisé en ce qu'il est une ailette de stator de turbine.