Brevet FR2557201A1 — publié le 19850628

La présente invention concerne les moteurs à tur- bine à gaz et plus particulièrement les aubes distributrices d'entrée pour moteur à turbine à gaz. Les aubes distributrices d'entrée sont classique- ment utilisées à l'entrée d'un moteur à turbine à gaz pour régler la quantité et la rotation de l'air envoyé vers un compresseur. L'angle que forment les aubes distributrices d'entrée par rapport à l'air entrant est variable et dépend de la vitesse du moteur. A faible vitesse on fait tourner les aubes distributrices d'entrée vers leurs positions les plus fermées et, à pleine vitesse, on les fait tourner vers leurs positions les plus ouvertes. Les aubes distributrices d'entrée se trouvant à l'entrée du moteur, reçoivent l'air à température et humidité ambiantes. Ainsi, les aubes distri- butrices d'entrée sont soumises au givrage si on ne prend pas des mesures pour empêcher un tel phénomène. Si on permet à la glace de s'accumuler sur les aubes distributrices d'en- trée, elle peut se séparer de ces aubes, pénétrer dans les composants du moteur tournant rapidement et provoquer ainsi des dégâts. Par conséquent, il est devenu habituel de dégi- vrer les aubes distributrices d'entrée. On peut réaliser le dégivrage des aubes distribu- trices d'entrée en prélevant une certaine quantité d'air du compresseur du moteur à turbine à gaz en un point o le tra- vail subi par l'air a élevé sa température par exemple -2- d'environ 66 C à 260 C et en distribuant cet air chauffé à un caisson qui entoure les aubes distributrices d'entrée. Chaque aube distributrice d'entrée comporte une ou plusieurs chambres d'écoulement en partant de sa tige qui est située dans le caisson, et en allant jusque vers l'ailette dans le- quel l'air est distribué pour chauffer l'aube et est finale- ment évacué vers l'entrée du moteur. La formation de chambres d'écoulement dans l'ai- lette présente plusieurs problèmes nécessitant des compromis de conception qui ont empêché de profiter au maximum du ren- dement disponible du moteur. La section droite d'une partie d'ailette d'une aube distributrice d'entrée est maintenue relativement mince pour permettre à un flux d'air de s'écou- ler aussi librement que possible. Par exemple, la section droite maximum d'une ailette dans certains petits moteurs peut être de 3,2 mm et peut être aussi mince que 1,6 mm. D'aussi petites dimensions présentent un problème pour for- mer des chambres d'écoulement à l'intérieur de l'ailette. On a eu par conséquent l'habitude de forger une ailette en cui- vre au béryllium et ensuite d'usiner les chambres d'écoule- ment dans une surface de la pièce forgée. Une plaque de fer- meture est ensuite brasée sur les chambres d'écoulement pour former une des surfaces d'ailettes. Puisque l'ailette s'amincit jusque vers une très mince section droite à l'en- droit de son bord de fuite, il n'est pas possible par des méthodes classiques de faire des chambres d'écoulement al- lant jusqu'au bord de fuite. Au contraire, la plaque de fer- meture se termine bien loin du bord de fuite et l'air dans la chambre d'écoulement sort par la surface en cet endroit. Des contraintes économiques limitent la complexité de l'usinage que l'on peut utiliser pour former les chambres d'écoulement dans l'ailette. En outre, les nécessités d'usi- nage et de brasage ont contraint la plaque de fermeture à avoir une forme plate, obligeant ainsi un c6té de l'ailette à être pratiquement plan plutôt que d'avoir une forme aéro- dynamique courbe plus efficace. En fait, pour obtenir un rendement aérodynamique plus élevé, on devrait utiliser une courbure complexe. On doit renoncer à ces courbures comple- xes dans les structures de l'art antérieur du fait de la né- cessité d'avoir une plaque de fermeture plane. Même lorsque l'on utilise une plaque de fermeture plane, le brasage n'est pas toujours parfait et par consé- quent des vides peuvent être formés entre la plaque de fer- meture et la surface à laquelle elle est brasée. Ces vides diminuent la transmission de chaleur et permettent à des points froids de se développer. Dans une autre partie d'un moteur à turbine à gaz, par exemple l'étage de turbine, on forme les aubes à partir d'un matériau ferreux par coulée de revêtement. Cette coulée de revêtement réalise dans les aubes de turbine un coeur creux à travers lequel passe un fluide de refroidissement tel que l'air. Le procédé de coulée de revêtement comporte la préparation d'un coeur en céramique par exemple en silice (SiO2) autour duquel on coule le matériau ferreux. Après so- lidification du matériau, on enlève le coeur de silice en utilisant un produit caustique tel l'hydroxyde de potassium ou l'hydroxyde de sodium. Les aubes distributrices d'entrée sont formées en un matériau à haute conductivité thermique plutôt qu'en un métal ferreux. Le cuivre, comportant environ 1 % de béryl- lium, fournit un matériau à conductivité et à résistance re- lativement élevées que l'on utilise pour les aubes distribu- trices d'entrée. Antérieurement, il n'était pas reconnu que la coulée par revêtement pouvait être utilisée avec succès avec ce matériau pour fabriquer des aubes distributrices d'entrée. La présente invention a pour objets de réaliser: - une aube distributrice d'entrée qui ne comporte pas les inconvénients de l'art antérieur; - une aube distributrice d'entrée ayant sa partie - 4 - d'ailette formée d'une seule pièce par coulée de revêtement; - une aube distributrice d'entrée ayant des cham- bres d'écoulement internes de forme améliorée pour réaliser un transfert de chaleur vers la surface de ladite aube; - une aube distributrice d'entrée ayant un support plus rigide pour la surface des chambres d'écoulement qu'elle comporte. Selon un mode de réalisation de l'invention, on a réalisé une aube distributrice d'entrée comportant une ai- lette coulée d'une seule pièce, une tige fixée à l'ailette, un passage d'air dans la tige, une chambre d'écoulement d'air dans l'ailette entre des premier et deuxième éléments d'enveloppe opposés de l'ailette, la chambre communiquant avec le passage d'air, une série de broches réunissant la chambre d'écoulement d'air avec le premier et second élé- ments d'enveloppe opposés, une sortie d'air à partir de la chambre d'écoulement entre les premier et second éléments d'enveloppe à un bord de fuite de l'ailette. Le premier élé- ment d'enveloppe a une première forme aérodynamique courbe, et le deuxième élément d'enveloppe a une deuxième forme aérodynamique courbe. Selon une caractéristique de l'invention, on a réalisé une aube distributrice d'entrée comme décrit ci-dessus, avec son ailette coulée d'une seule pièce étant coulée à partir d'un alliage de cuivre et de béryllium com- portant environ 0,5 à 2 pourcent de béryllium. 'De plus, les première et deuxième formes aérodynamiques courbes définis- sent un angle de torsion autour d'un axe de l'ailette. L'an- gle de torsion est compris entre 2 et 25 degrés. L'ailette a une première section droite concave dans une première direc- tion à une première extrémité et une deuxième section droite concave dans une seconde direction opposée à la première di- rection à une seconde extrémité de l'ailette. Résumé briève- ment, selon un mode de réalisation de l'invention, on a réa- lisé une aube distributrice d'entrée qui est coulée par revêtement en une seule pièce en un matériau à haute conduc- tivité thermique avec un réseau de broches reliant les élé- ments d'enveloppe opposés de chambre d'écoulement dans l'aube. Les broches supportent et stabilisent les éléments d'enveloppe, favorisent la conduction de chaleur à partir de l'air dans les chambres d'écoulement vers la surface de cha- cun des éléments d'enveloppe et fournissent une commande de débit d'air. La coulée par revêtement permet l'utilisation d'une forme optimale sur la plan du rendement aérodynamique sans que l'on soit soumit aux contraintes de fabrication. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: - Figure 1, un diagrame schématique d'un moteur à turbine à gaz auquel on peut appliquer la présente invention; - Figure 2, une vue en coupe d'un ensemble d'aubes distributrices d'entrée montrant une vue latérale avec une partie éclatée d'une aube distributrice d'entrée selon l'art antérieur; - Figure 3, une vue en coupe prise selon la ligne 3-3 de l'aube distributrice d'entrée de la figure 2; - Figure 4, une vue en coupe prise selon la ligne 4-4 de l'aube distributrice d'entrée de la figure 2; - Figure 5, une vue en coupe d'une aube distribu- trice d'entrée présentant une vue latérale avec une partie éclatée d'une aube distributrice d'entrée selon un mode de réalisation de la présente invention; - Figure 6, une vue en bout d'une aube distribu- trice d'entrée de la figure 5; - Figure 7, une vue en coupe prise selon la ligne 7-7 de la figure 5. En liaison avec la figure 1, on a représenté de manière générale en 10, un moteur à turbine à gaz auquel on peut appliquer la présente invention. Le moteur à turbine à gaz 10 comporte un compresseur axial 12 qui reçoit de l'air en provenance d'un ensemble 14 d'aubes distributrices -6- d'entrée. Le compresseur axial 12 comprime l'air et l'envoie vers une chambre de combustion 16 o son énergie est augmen- tée par la combustion de combustible. Les produits de com- bustion et l'air chaud provenant de la chambre de combustion 16 sont envoyés vers une turbine 18 qui entraîne le compres- seur axial 12 au moyen d'un dispositif de connexions mécani- ques 20 tout en fournissant de la puissance utile soit à un arbre, soit à une tuyère d'éjection (non représentée). L'air comprimé qui a été chauffé par le travail effectué pendant la compression est prélevé à partir du compresseur axial et envoyé dans une conduite 22 vers une vanne de dégivrage 24 qui fournit de l'air chauffé par une conduite 26 vers un caisson 28 entourant l'ensemble 14 d'aubes distributrices d'entrée. Une commande d'aubes distributrices d'entrée 30 fournit un réglage mécanique de l'angle des aubes distribu- trices d'entrée dans l'ensemble 14 en réponse à un signal de vitesse du moteur provenant d'un générateur de signal de vi- tesse 32. La vanne de dégivrage 24 peut être aussi sensible à un signal de vitesse du moteur fourni par le générateur de signal de vitesse 32 pour régler la quantité d'air envoyée vers la conduite 26 ainsi que l'air de dégivrage envoyé vers d'autres composants du moteur (non représentés) comme indi- qué par une conduite 34. En liaison maintenant avec la figure 2, on a représenté une aube distributrice d'entrée selon l'art an- térieur. L'aube distributrice d'entrée 36 comporte une ailette 38 à laquelle est fixée une tige 40 traversant ver- ticalement le caisson 28. Un levier de manoeuvre 42 d'un type classique, est fixé à l'extrémité de la tige 40 par des moyens conventionnels tels que, par exemple, un écrou fileté 43. On peut faire tourner l'ailette 38 en manoeuvrant le levier 42 autour d'un axe défini par la tige 40 et un pivot intérieur 44. Un canal transversal 46 dans la tige 40 admet - 7 - l'air chauffé provenant du caisson 28 dans un canal axial 48 qui envoie l'air chauffé le long d'un trajet représenté par des flèches en trait discontinu vers une chambre dtécoule- ment 50 dans l'ailette 38. On forme la chambre -d'ecoulement 50 avec des nervures 52 qui ont une forme appropriée et qui sont mise en place à la fois pour canaliser le débit d'air et pour fournir un support de montage pour le brasage d'une plaque de revêtement soudée 54. En liaison aussi avec les figures 3 et 4, une saillie évidée 56 permet d insérer la plaque de fermeture 54 pour qu'elle soit de niveau avec une surface 58 de 1 ailette 38. La saillie évidée 56 forme un gradin 60 entourant la plaque de fermeture 54, gradin auquel la plaque de fermeture 54 est soudée dans l'opération d'assemblage. La nervure 52 est évidée de la même profondeur que le gradin 60 de sorte que la plaque de revêtement 54 est aussi supportée par et soudée à la nervure 52. En se référant maintenant à la figure 3, on remar- quera un passage de sortie 62 qui évacue l'air chaud prove- nant de la chambre d'écoulement 50 vers une surface de bord de fuite 64 de l'aube 38. Comme remarqué auparavant, le brasage réussi limi- te la forme de la plaque de revêtement 54 et par conséquent le côté de l'ailette 38 contenant la plaque de revêtement 54, a une surface plane. De plus, la chambre d'écoulement 50 doit s'arrêter loin du bord de fuite 66 de l'ailette 38 du fait de la finesse du matériau à proximité du bord de fuite 66. De même, du fait des dimensions limitées de la section droite de l'ailette 38, la plaque de revêtement 54 est né- cessairement une plaque mince. De manière à avoir un contrô- le raisonnable de la complexité d'usinage pour former des chambres d'écoulement 50, des surfaces relativement impor- tantes de la plaque de revêtement 54 demeurent sans support et sont soumises à des vibrations et par conséquent à des ruptures par fissuration ultérieures. En outre, le débit -8- d'air à travers les chambres d'écoulement peut être relati- vement continu et par conséquent ne pas fournir le transfert de chaleur maximum vers les surfaces de l'ailette 38. En liaison avec la figure 5, on a représenté une aube distributrice d'entrée 68 selon un mode de réalisation de la présente invention. On forme une ailette 70 de l'aube distributrice d'entrée 68 en une seule pièce par coulée de revêtement avec la formation de la structure interne pendant le processus de coulée. On peut couler la tige 40 en même temps et dans le même matériau que l'ailette 70, ou de pré- férence en un matériau plus résistant tel que l'acier et on peut la fixer à l'ailette 70 par brasage pour une meilleure durabilité spécialement dans la zone de fixation du levier de manoeuvre 42. Une série de nervures 72 définissent des chambres d'écoulement d'air 74. Une série de broches 76 tra- versent les chambres d'écoulement 74 à la fois pour suppor- ter les éléments d'enveloppe opposés 86 et 88 de l'ailette et aussi pour transférer la chaleur à partir de l'air se trouvant à l'intérieur des chambres d'écoulement 74 vers les éléments d'enveloppe 86 et 88. On remarquera, que lorsque nécessaire ou souhaitable, les broches 76 sont placées sui- vant des rangées décalées de sorte que l'air passant entre deux broches 76 frappent directement une broche 76 de la rangée suivante. Ceci contribue à réaliser une turbulence de l'air dans la chambre d'écoulement 74 et ainsi améliore le transfert de chaleur vers les surfaces. En liaison maintenant avec la figure 7, on a re- présenté un profil de corde classique à proximité du milieu de l'ailette 70. L'épaisseur maximum de la section droite 90 de l'ailette 70 doit être aussi petite que possible pour permettre la libre circulation de l'air audelà des ailettes 70. Dans la présente invention, cette épaisseur maximum peut être comprise entre 1,651 mm et 3,175 mm avec une épaisseur minimum à proximité du bord de fuite 78 d'environ 1,143 mm. Selon un mode de réalisation recommandé, l'épaisseur 92 de -9- chaque élément d'enveloppe 86 et 88 est comprise entre 0,254 et 0,635 mm avec les plus faibles valeurs à proximité du bord de fuite 78. La largeur 94 de la chambre d'écoulement 74 entre les éléments d'enveloppe 86 et 88 et comprise entre 0,508 et 0,762 mm avec les plus faibles valeurs à proximité du bord de fuite 78. La chambre d'écoulement 74 s'étend jusqu'à une sortie d'air 77 au bord de fuite de l'ailette 70 de sorte que l'air chauffé est contenu dans l'ailette 70 jusqu'au bord de fuite sans être évacué avant d'avoir atteint cet em- placement. Ceci améliore le dégivrage parce que l'air chauf- fé n'est pas obligé de sortir de l'ailette avant d'avoir atteint le bord de fuite. On remarquera aussi, figure 5, que le périmètre de la chambre d'écoulement 74 peut être formé de manière plus complexe qu'il n'est pratiquement faisable lorsqu'on fabrique une ailette en deux pièces. Par exemple, une encoche 80 est formé à la base de la chambre d'écoule- ment 74 pour permettre à l'air de s'écouler autour d'une broche adjacente 76. D'autres formes avantageuses comportant des moyens particuliers pour canaliser l'air de dégivrage vers des endroits o il est le plus nécessaire peuvent être envisagés par l'homme de l'art à la lumière de la présente description. On peut placer les broches 76 comme on le souhaite ou comme nécessaire, pour répondre aux trois objec- tifs suivants: 1) supporter les éléments d'enveloppe de l'ailet- te 70 2) transférer de la chaleur provenant de l'air vers les surfaces extérieures des éléments d'enveloppe 3) régler le débit. En ce qui concerne le réglage du débit, le faible espacement entre les broches 76 établit une résistance à l'écoulement dans une partie particulière de la chambre d'écoulement 74. De cette manière, on peut régler le débit - 10 - vers des parties choisies de l'ailette 70. L'ailette 70 est coulée en un alliage de cuivre et de béryllium comportant environ 0,1 à 10 pourcent de béryl- lium. Dans la mesure o on diminue le contenu en béryllium on diminue aussi la résistance de l'ailette 70. Et lorsqu'on augmente le contenu en béryllium on diminue la conductivité thermique. Dans le mode de réalisation recommandé, on utili- se un contenu en béryllium compris entre environ 0,5 et 2 pourcent. En liaison maintenant avec la figure 6, on remar- quera que l'ailette 70, au lieu d'être plane comme il était nécessaire pour les ailettes de l'art antérieur de la figure 2, est cambrée et tordue pour améliorer le rendement aéro- dynamique. La cambrure est une mesure de la courbure ou cintrage d'une section droite axiale d'un profil aérodynami- que. La torsion autour de l'axe d'un profil dynamique est la mesure de la variation de l'angle, entre la base et l'extré- mité du profil de la corde par rapport à l'axe central du moteur. L'angle de torsion total est comprise entre 2 et 25 degrés. Dans le mode de réalisation recommandé l'angle de torsion est compris environ entre 10 et 18 degrés et dans le mode de réalisation particulièrement recommandé l'angle de torsion est compris entre environ 12 et 16 degrés. Dans la vue en perspective de la figure 6, l'ex- trémité inférieure 82 (partie radialement intérieure) com- porte une section droite qui est concave en regardant vers le bas dans la figure, tandis que l'extrémité supérieure 84 de l'ailette 70 a une section droite qui est concave en regardant vers le haut. Ce changement dans la courbure entre le bas 82 et le haut 84 est appelée cambrure inverse. La cambrure à l'extrémité supérieure 84 (radialement vers l'ex- térieur) est dans le sens de rotation des aubes de compres- seur de l'étage suivant. Ceci tend à réduire la vitesse relative de l'air aux extrémités extérieures des aubes de rotor du premier étage de compresseur là o elles sont le - 11 - plus proches de la vitesse du son. La cambrure inverse à l'extrémité inférieure 82 (radialement vers l'intérieur) réalise un contre-tourbillon de l'air entrant à proximité des bases du premier étage de rotor de compresseur de sorte que cet air, après avoir passé les aubes du premier étage de rotor de compresseur frappe le premier étage de stator de compresseur avec un nombre de Mach inférieur. On a représenté figure 7, une section droite à un endroit juste au-delà de la transition entre concave vers le bas et concave vers le haut. Un premier élément d'enveloppe 86 de l'ailette 70 est représenté concave vers le haut. Un deuxième élément d'enveloppe 88 est représenté concave vers le bas. Chaque élément d'enveloppe a une forme aérodynamique courbe différente. Ces formes sont toalement déterminées par les contraintes aérodynamiques de l'ailette 70 et ne sont en rien limitées par un besoin de planéité comme c'était le cas de l'art antérieur. En liaison de nouveau avec la figure 5, l'utilisa- tion à la fois des nervures 72 et des broches 76 est consi- déré comme un mode de réalisation de transition qui peut etre remplacé en totalité par un mode de réalisation utili- sant seulement des btoches réparties de manière appropriée et placées pour répondre aux objectifs énumérés précédem- ment. Bien que ce mode de réalisation avec seulement des broches ne soit pas représenté ou décrit ici, la description est suffisante pour permettre à l'homme de l'art de com- prendre, de réaliser et d'utiliser un mode de réalisation avec broches seulement. - 12 - REVENDICATIONS 1. Une aube distributrice d'entrée comportant: - une ailette coulée d'une seule pièce (70), cette ailette étant coulée en un alliage de cuivre et de bé- ryllium contenant environ 0,5 à 2 pourcent de beryllium; - une tige (40) fixée à ladite ailette; - un passage d'air (46) dans la tige; - une chambre d'écoulement d'air (74) dans l'ailette (70) placée entre des premier et second éléments d'enveloppe opposés (86) et (88) de l'ailette et communi- quant avec le passage d'air (46); - une série de broches (76) traversant la chambre d'écoulement d'air pour réunir les premier et deu- xième éléments d'enveloppe opposés; et - une sortie d'air (77) de la chambre d'écou- lement (74) placée entre les premier et deuxième éléments d'enveloppe au bord de fuite'de ladite ailette; aube caractérisée en ce que le premier élément d'enveloppe (86) a une première forme aérodynamique courbe Z0 et le second élément d'enveloppe (88) a une deuxième forme aérodynamique courbe, ces première et deuxième formes aéro- dynamiques courbes définissant un angle de torsion autour d'un axe de l'aube, cet angle de torsion étant compris entre environ 2 et 25 degrés, et en ce que l'ailette a une premiè- re section droite concave dans une première direction à une première extrémité de l'ailette, et une deuxième section droite concave dans une seconde direction opposée à la pre- mière à une seconde extrémité de l'ailette. 2. Aube distributrice d'entrée selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que l'épaisseur maximum de l'ailette (70) coulée d'une seule pièce est 3, 175 mm; 3. Aube distributrice d'entrée selon la revendica- tion 2, caractérisée en ce que la largeur de la chambre d'écoulement (74) entre les premier et deuxième éléments d'enveloppe opposés (86, 88) est comprise entre 0,508 et - 13 - 0,762 mm. 4. Une aube distributrice d'entrée comportant: - une ailette (70) coulée d'une seule pièce; - une tige (40) fixée à ladite ailette; - un passage d'air (46) dans la tige; - une chambre d'écoulement d'air (74) dans l'ailette (70) entre des premier et des second éléments d'enveloppe opposés (86, 88) et communiquant avec le passage d'air (46); -une série de broches (76) réunissant la cham- bre d'écoulement (74) avec les premier et second éléments d'enveloppe opposés; et - une sortie d'air (77) à partir de la chambre d'écoulement (74) entre les premier et second éléments d'en- veloppe (86, 88) à un bord de fuite (78) de l'ailette; aube caractérisée en ce que le premier élément d'enveloppe (86) a une première forme aérodynamique courbe et le second élément d'enveloppe (88) a une deuxième forme aérodynamique courbe. 5. Aube selon la revendication 4, caractérisée en ce que les premier et deuxième formes aérodynamiques courbes définissent un angle de torsion autour d'un axe de ladite aube. 6. Aube distributrice d'entrée selon la revendica- tion 5, caractérisée en ce que l'ailette (70) comporte une première section droite concave dans une première direction à une première extrémité de ladite ailette et une deuxième section droite concave dans une seconde direction générale- ment opposée à la première direction à une seconde extrémité de ladite ailette. 7. Aube distributrice d'entrée selon la revendica- tion 5, caractérisée en ce que l'angle de torsion est com- pris entre environ 2 et 25 degrés. 8. Aube distributrice d'entrée selon la revendica- tion 5, caractérisée en ce que l'angle de torsion est com- Z557201 - 14 - pris entre environ 10 et 18 degrés. 9. Aube distributrice d'entrée selon la revendica- tion 5, caractérisée en ce que l'angle de torsion est com- pris entre 12 et 16 degrés 10. Aube distributrice d'entrée selon la revendi- cation 4, caractérisée en ce que l'ailette coulée d'une seu- le pièce (70) est en alliage de cuivre et de béryllium. 11. Aube distributrice d'entrée selon la revendi- cation 10, caractérisée en ce que l'alliage contient environ entre 0,5 et 2 pour cent de béryllium. 12. Aube distributrice d'entrée selon la revendi- cation 4, caractérisée en ce que l'épaisseur maximum de l'ailette coulée d'une seule pièce (70) est 3,175 mm. 13. Aube distributrice d'entrée selon la revendi- cation 12, caractérisée en ce que la largeur de la chambre d'écoulement (74) entre les premier et deuxième éléments d'enveloppe (86, 88) est comprise entre 0,508 et 0,762 mm.