Brevet FR2524059A1 — publié le 19830930

1. "Aube, de turbine axiale, pour commandes d'entraînement de turbines à gaz, et notammeni refroidissement des aubes" L'invention concerne une aube de turbine axiale, notamment aube mobile de turbine axiale pour com- mandes d'entraînement de turbines à gaz, pouvant être re- froidie au moyen d'air d'un compresseur et comportant, à cet effet, plusieurs canaux d'air dirigés radialement à travers la pale, canaux d'air dont deux sont reliés l'un à l'autre par des alésages de refroidissement à déflexion, par lesquels l'air de refroidissement introduit par l'in- termédiaire de l'un des canaux dans l'aube est amené sur la trajectoire d'un refroidissement à déflexion à l'autre canal situé à proximité du bord du nez de l'aube, et hors duquel l'air de refroidissement peut être soufflé au moyen d'alésages débouchant tangentiellement sur le côté de la paroi de l'aube. Une aube de turbine de ce genre est connue d'après le DE-AS 16 01 561 Dans le cas de cette aube de turbine connue, la surface latérale de l'aube, qui est de tous côtés à paroi relativement mince, enferme plusieurs canaux d'air dirigés radialement à travers la pale et qui communiquent les uns avec les autres par différents ori- fices. L'air de refroidissement est introduit du cd- té de la base de l'aube par un premier canal s'étendant en direction radiale et amené de là, au moyen d'alésages de 2.- refroidissement à déflexion contenus dans une paroi trans- versale, à un second canal d'air, qui se situe essentielle- ment à l'intérieur de tout le bord du nez de l'aube de tur- bine Sur ce bord du nez de l'aube lui-m 8 me, la surface la- térale de l'aube comporte un nombre relativement grand d'alésages de soufflage d'air de refroidissement échelonnés les uns au-dessus des autres en direction radiale, afin que doive se constituer, en cours de fonctionnement, un voile d'air de refroidissement le long du bord du nez de l'aube. On arrive bien à obtenir de cette manière, un refroidissement relativement bon du bord du nez de l'au- be qui subit, en cours de fonctionnement, l'action d'une haute température Il n'est cependant pas à exclure, dans le cas d'un fonctionnement continu d'assez longue durée, que, par suite d'un bouchage, survenant au moins partielle- ment, des alésages d'air de refroidissement situés du c 8 té du nez de l'aube et qui sont extrêmement étroits, le refroi- dissement le long du bord du nez ne se trouve menacé dans son efficacité Ce bouchage des alésages peut être provo- au pe éxempe -pai-re wimpuretés-de l'agent de refroidis- sement, c'est-à-dire de-l'air de refroidissement. En outre, l'exécution de tels alésages ex- trêmement étroits exécutés par exemple par voie électro- érosion nécessite une dépense relativement importante, et de plus, une fois terminés les alésages de ce genre, il est nécessaire de procéder à une inspection précise de ceux- ci, afin de s'assurer que ces alésages sont bien effective- ment achevés en rendant disponibles les sections correspon- dantes de passage du courant. Il s'est avéré en outre, avec des aubes de turbines de ce genre, que même les alésages de refroidisse- ment à déflexion décrits, malgré la dépense de refroidis- sement engagée, sont très sujets à attaques (corrosions par gaz chaud) particulièrement dans la zone de leurs sur- faces extérieures. 3.- D'autre part, il se présente une possibilité de contrôle relativement difficile de ces alésages de re- froidissement à déflexion En plus, il est comparativement difficile de pouvoir exécuter des alésages de ce genre, no- tamment par voie électrochimique, parce que l'introduction des outils d'alésage nécessaires à travers les canaux d'air empêche de façon non négligeable, l'opération d'alésage, ou parce que des outils d'alésage compliqués à fabriquer et à manipuler sont exigés. Il faut en outre, pour le procédé de refroi- dissement décrit de l'aube connue, se baser sur de hautes pressions et vitesses d'air de refroidissement, liées à des pertes aérodynamiques non négligeables, particulière- ment pour le refroidissement en film aspiré au bord du nez de l'aube. L'invention a pour but d'éliminer les incon- vénients connus -de l'art antérieur et de réaliser une aube refroidie du type mentionné dans le préambule qui, tout en présentant l'avantage d'une faible sensibilité aux dan- gers d'usure du bord du nez de l'aube, assure un refroidis- sement optimal du bord du nez de l'aube, particulièrement soumis à l'action de haute température, ainsi que des alé- sages de refroidissement à déflexion eux-mêmes. L'invention concerne, à cet effet, une aube de turbine axiale qui se distingue par les caractéristi- ques suivantes: a) la zone du bord du nez de la pale constituée sous forme d'un profil plein est traversée par des broches ou fils métalliques disposés en direction axiale en alignement avec les alésages de refroidissement à déflexion, et qui débouchent chacun par une pointe effilée de forme conique dans le canal d'air situé à proximité du bord du nez de l'aube, b) ces broches ou fils sont fabriqués en un matériau à con- ductibilité thermique élevée, 4.- c) au moins le canal d'air situé à proximité du nez de l'aube présente des tronçons de paroi de pourtour arron- dis, tout au moins partiellement. Grâce à la turbine conforme à l'invention, l'air de refroidissement, qui est introduit de préférence du c 8 té de la base de l'aube, est amené d'abord par l'un des canaux d'air et arrive ensuite, dans l'autre canal di- rigé radialement qui est voisin du bord du nez de l'aube, en passant par les alésages de refroidissement à déflexion. Cet air, à la sortie des alésages de refroidissement à dé- flexion, fait alors impact sur les extrémités à pointe ef- filée des broches ou fils insérés du c 8 té du bord du nez de l'aube, tourbillonne intensément et se répartit le long de la paroi intérieure du canal voisin du bord du nez de l'aube, pour pouvoir être alors finalement soufflé, par une série d'alésages d'évacuation disposés et échelonnés radialement les uns au-dessus des autres, de préférence tangentiellement le long du c 8 té aspiration de l'aube. En particulier, le canal d'air qui est voi- sin du bord du nez de l'aube doit alors être constitué de façon à présenter des tronçons de paroi de pourtour arron- dis au moins partiellement par exemple présenter une section transversale en forme de trou oblong, ou présenter une forme cylindrique, ou être constitué sous forme d'alé- sage, afin d'assurer, en liaison avec les pointes de fils ou broches correspondants, une avantageuse répartition et déviation de direction de l'air dans la zone du bord du nez de laube Les alésages et canaux d'air mentionnés peu- vent être exécutés par voie électrochimique, mais ils peu- vent aussi être obtenus déjà par coulée dans la pièce brute de l'aube venue de fonderie Ces alésages concernent le premier et le second canal d'air qui communiquent tous les deux par l'intermédiaire des alésages de refroidissement à déflexion. Il est particulièrement avantageux, à cet 5.- égard, que les alésages situés dans la zone du nez de l'au- be dans lesquels on doit insérer ultérieurement les bro- ches ou fils peuvent être réalisés, par exemple par voie électrochimique, "d'une seule venue" avec les alésages de refroidissement à déflexion Avant l'insertion des fils ou broches dans les alésages correspondants, on dispose en outre, d'une possibilité de contrÈle avantageuse, du point de vue fabrication, des alésages de refroidissement à dé- flexion'par simple examen visuel de l'aube de turbine de- puis son bord antérieur. Les fils ou broches dont il est fait mention, peuvent être, par décapage, à l'une de leurs extrémités, effilés en pointes de forme conique La fabrication de ces broches ou fils en un matériau à conductibilité thermique élevée, par exemple en un alliage de cuivre, assure un ra- pide transfert de chaleur possible depuis le bord du nez de l'aube soumis particulièrement à l'action de la tem- pérature en direction du canal d'air voisin de ce bord, et cela sur l'air de refroidissement tourbillonnant dans ce canal d'une façon intensive. En vue d'améliorer la conservation de la cha- leur, on prévoit d'appliquer une couche protectrice par projection sur le bord du nez de l'aube Ce moyen permet de préserver particulièrement aussi de la corrosion ou d'éro- sion, la soudure, utilisée pour la fixation des broches ou fils, se trouvant à une haute température. L'invention donne en plus la garantie d'une surface extérieure moins sujette aux risques d'attaque des alésages de refroidissement à déflexion ainsi que, d'autre part comme résultat de la mise en tourbillon optimale de l'air de refroidissement dans le canal voisin du nez de l'aube et d'une surface de refroidissement relativement très étendue En fonction d'un soufflage sur le bord anté- rieur selon le cas connu rappelé dans le préambule, l'air de refroidissement peut être introduit avec une pression a - comparativement très réduite. Selon divers modes de réalisation préféren- tiels, l'invention est caractérisée en ce que une couche de protection ou d'isolation à la chaleur est appliquée par projection sur le bord du nez de l'aube, les broches ou fils insérés sont soudés par brasage à haute température dans les alésages correspondants tra- versant la zone du bord du nez de l'aube, les extrémités à pointe effilée conique des broches ou fils insérés sont constituées de façon à être légèrement arrondies pour réaliser un dédoublement uniforme à forte turbulence dans les tourbillons d'air de recirculation, l'axe longitudinal d'alésage commun des broches ou fils et des alésages de refroidissement à déflexion coupe la ligne médiane radiale du canal d'air voisin du nez de l'aube ou tout au moins passe le long de cette ligne à proximité immédiate de celle-ci, le canal d'air voisin du bord du nez de l'aube présente une section transversale de forme circulaire ou de forme elliptique ou en forme de trou oblong, le canal d'air voisin du bord du nez de l'aube présente une section transversale de forme fuselée allant en s'é- largissant ou en se rétrécissant de façon continue en di- rection des endroits ou débouchent les alésages de re- froidissement à déflexion. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après et des dessins annexés représentant un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans les- quels: la figure 1 est une vue en coupe transver- sale partielle comprenant le bord du nez de l'aube d'une aube mobile conforme à l'invention d'une turbine, la figure 2 en est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1. Les sections d'une aube mobile de turbine 7.- représentées sur les figures 1 et 2, montrent un premier canal d'air 1, dirigé radialement à travers la pale, et qui est relié à un autre canal d'air 2, dirigé radialement à travers la pale et situé à proximité du bord du nez de l'aube, par l'intermédiaire d'une série d'alésages de re- froidissement à déflexion 3 ménagés, échelonnés régulière- ment les uns au-dessus des autres. D'après la figure 1, on se rend compte prin- cipalement que la zone du bord du nez de la pale représente par principe un profil plein et comporte une série de bro- ches ou fils métalliques 4 disposés également en étant éche- lonnés radialement les uns au-dessus des autres et qui, en direction axiale, sont montés en alignement avec les alé- sages 3. Les broches ou fils 4 pénètrent chacun par une pointe 5 effilée en forme conique dans le canal d'air 2. Ces broches et fils 4 sont fabriqués de préférence, en un matériau présentant une conductibilité thermique élevée. Comme on peut le voir en outre d'après la figure 1, les ca- naux d'air 1 et 2 sont obtenus par des alésages radiaux. L'air de refroidissement passe ainsi, dans l'exemple de réalisation, en partant du côté de la base de l'aube, dans le canal d'air 1, et se répartit ensuite en déviant suivant la direction des flèches y', pour être con- duit à travers les alésages de refroidissement à déflexion 3 A la sortie de ceux-ci, l'air de refroidissement, accé- léré en raison de l'action d'étranglement des alésages men- tionnés ci-dessus, vient heurter les extrémités légèrement arrondies, situées en regard de façon correspondante, des pointes effilées coniques 5 des broches ou fils 4, o il tourbillonne violemment et est dévié de manière à recircu- ler suivant la direction des flèches P (figure 2); ainsi, en balayant la paroi intérieure cylindrique (flèches G) du canal d'air 2 (figure 1), l'air de refroidissement arrive dans les alésages 6 inclinés obliquement vers l'arrière 8.- (flèches H), au-dehors desquels il est alors soufflé tan- gentiellement le long du côté aspiration de l'aube. Comme représenté sur la figure 1, une couche 7 de protection ou d'isolation de la chaleur, peut avanta- geusement être appliquée par projection sur le bord du nez de l'aube. Bien qu'on ne l'ait pas représenté sur les dessins, ni décrit, les broches ou fils métalliques peuvent 4 tre soudés, de préférence par brasage à haute température, dans les alésages correspondants qui traversent la zone du bord du nez de l'aube. Dans l'exemple de réalisation selon les figu- res 1 et 2, on suppose bien entendu, que l'on a recouvert par revôtement étanche le premier canal d'air 1 du c 8 té de la pointe de l'aube et le second canal d'air 2 du côté de la base et de la pointe de l'aube. Bien entendu, l'air de refroidissement pour- rait être soufflé hors du second canal 2, non seulement du côté aspiration de l'aube, mais aussi du côté refoulement de l'aube, c'est-à- dire du côté aspiration et/ou du côté refoulement, par l'intermédiaire d'alésages appropriés en direction tangentielle le long des parois correspondantes de l'aube. Contrairement à une fabrication d'aube avec des broches ou fils soudés audedans de celle-ci, il serait 7 dans le cas d'une aube ou d'une géomètrie de refroidisse- ment d'aube du type décrit ci-dessaus, fabriquée par procé- dé de coulée parfaitement concevable ou avantageux que les broches ou fils servent de supports de noyaux et de- meurent dans la pièce coulée (matériau à point de fusion élevé). D'une manière qui n'a pas été représentée, en particulier le canal s'étendant radialement à travers la pale, qui est situé à proximité du bord du-nez de l'aube, peut être constitué de façon à présenter des tronçons de 9.- paroi de pourtour arrondis tout au moins partiellement - ainsi par exemple, présenter une section transversale en forme de trou oblong aussi bien qu'une section transversale de forme elliptique ou fuselée Dans ce dernier cas, on peut prendre pour base des sections transversales à profil fuselé allant, soit en s'élargissant de façon continue, soit en se rétrécissant de façon continue en direction des endroits o débouchent les alésages de refroidissement à déflexion. 10.- R E V E N D I C A T I O N S 1. Aube de turbine axiale, notamment aube mo- bile de turbine axiale pour commande d'entraînement de tur- bines à gaz, pouvant être refroidie au moyen d'air d'un compresseur et comportant, à cet effet, plusieurs canaux d'air dirigés radialement à travers la pale, canaux d'air dont deux sont reliés l'un à l'autre par des alésages de refroidissement à déflexion, par lesquels l'air de refroi- dissement introduit par l'intermédiaire de l'un des canaux dans l'aube est amené sur la trajectoire d'un refroidisse- ment à déflexion à l'autre canal situé à proximité du bord du nez de l'aube, et hors duquel l'air de refroidissement peut être soufflé au moyen d'alésages débouchant tangen- tiellement sur le côté de la paroi de l'aube, aube caracté- risée en ce que: a) la zone du bord du nez de la pale constituée sous forme d'un profil plein est traversée par des broches ou fils métalliques ( 4) disposés en direction axiale en aligne- ment avec les alésages de refroidissement à déflexion ( 3)9 et qui débouchent chacun par une pointe effilée ( 5) de forme conique dans le canal d'air ( 2) situé à proxi- mité du bord du nez de l'aube, b) ces broches ou fils sont fabriqués en un matériau à conductibilité thermique élevée, c) au moins le canal d'air situé à proximité du nez de l'aube présente des tronçons de paroi de pourtour arron- dis, tout au moins partiellement. 2. Aube de turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'uhe couche ( 7) de protection ou d'iso- lation à la chaleur, est appliquée par projection sur le bord du nez de l'aube. 3. Aube de turbine selon l'une ou l'autre des revendications 1,et 2, caractérisée en ce que les bro- ches ou fils ( 4) sont soudés au moyen d'un brasage à haute température dans les alésages correspondants traversant 11.- la zone du bord du nez de l'aube. 4. Aube de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les extré- mités à pointe effilée conique ( 5) sont constituées de fa- çon à être légèrement arrondies pour réaliser un dédouble- ment uniforme à forte turbulence dans les tourbillons d'air de recirculation respectifs (P G). 5. Aube de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'axe lon- gitudinal d'alésage commun des broches ou fils ( 4) et des alésages de refroidissement à déflexion ( 3) coupe la ligne médiane radiale du canal d'air ( 2) ou tout au moins passe le long de cette ligne à proximité immédiate de celle-ci. 6. Aube de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le canal d'air ( 2) voisin du bord du nez de l'aube présente une sec- tion transversale de forme circulaire ou de forme ellipti- que ou en forme de trou oblong. 7. Aube de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le canal d'air ( 2) voisin du bord du nez de l'aube présente une sec- tion transversale de forme fuselée allant en s'élargissant ou en se rétrécissant de façon continue dans la direction des endroits o débouchent les alésages de refroidissement à déflexion.