Brevet FR2569225A1 — publié le 19860221

La présente invention concerne les éléments creux, profilés aérodynamiquement, des moteurs à turbine à gaz, dotés d'un système de refroidissement Dans la présente description, le terme "élément creux refroidi, profilé aérodynamiquement" pourra désigner, soit une aube complète avec ou sans accessoires intégrants ou rapportés tels que bandages, plateaux ou pieds, soit une partie d'une aube telle que sa partie longitudinale ou sa section, également avec ou sans accessoires intégrants ou rapportés Dans les moteurs à turbine à gaz, il est maintenant d'usage de donner, au moins aux parties aérodynamiques des aubes travaillant dans la région la plus chaude du moteur une conformation interne creuse et souvent complexe pour en faciliter le refroidissement par circulation d'air ou d'autres fluides A mesure que ces conformations internes deviennent Eluts complexes, elles deviennent de plus en plus diffiiles/à realiser, et en particulier l'usage croissant de la réfrigération par impact exige la présence d'un tube d'entre dtair séparé Ce tube est fix4 dans l'élément aérodynamique creux et percé d'orifices permettant à l'air réfrigérant de jaillir pour ve nir frapper la face interne de ltélément .Sa fixation pose des problèmes et, du fait qu'il entraîne des complications de fabrication, son emploi augmente le prix de tube termine La présente invention réalise un mode nouveau de réalisation des organes internes d'un élément creux refroidi, profilé aérodynamiquement Lldlément creux refroidi, profilé aérodynamiquement, selon ltinvention, pour moteur à turbine à gaz, comprend une cellule le réalisée par moulage, dont l'intérieur comporte une cavité principale d'entrée d'air s'étendant dans le sens longitudinal de ltélément, et une pluralité de cavités secondaires s'étendant dans le sens longitudinal de élément et placées entre la cavité principale et la face externe de l'élément, chacune desdites cavités secondaires communiquant avec la cavité principale par une pluralité de passages, ces Cavités principale et secondaires et ces passages étant tous réalisés par l'opération de moulage de la cellule L'élément profilé aérodynamiquement pourra comprendre toute la zone d'attaque de la partie aérodynamiquement profilée d'une aube ou ailette dont la surface externe formera la face externe de ladite cellule De préférence, les passages seront décalés de façon à ne pas former une seule rangée ; cette disposition rendra moins fragile le noyau utilisé pour le moulage Les cavités secondaires pourront être au nombre de quatre Selon un autre de ses aspects, l'invention réalise un procédé de fabrication dsun élément creux profilé consistant à faire un noyau céramique possédant un corps central longitudinal et une pluralité de corps secondaires longitudinaux espacés du corps central par une pluralité de colonnettes et à appliquer ce noyau à un procédé de moulage à cire perdue pour réaliser un élément creux profilé possédant des cavités internes correspondant à la forme externe du noyau De préférence, le noyau sera réalisé selon la technique d'une pièce non réutilisable L'invention est décrite ci-après en détail en se référant à un exemple préféré, non limitatif, de réalisation représenté sur les dessins annexés dans lesquels t - la figure 1 est une vue perspective d'une partie dun élé- ment prcfiléiérodynamiquement, conforme à l'invention ; - les figures 2, 3 et 4 sont des coupes de matrices utilisées successivement dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ;; et - les figures 5 et 6 sont des coupes à plus grande échelle, dans le sens de l'envergure et dans celui de la corde, d'un noyau utilisé dans le procédé des-figures 2 à 4 o La figure 1 montre une partie 10 dun élément prof aéroX d nnamiquement constituant, dans l'exemple rcpre'sentc, le bord d'attaque d'une aube dont la partie restante 11 est sohémati- sée par des traits interrompus 4 Il est entendu que aube complète, formée des parties 10 et 11, serait équipée, en pratique, de plateaux, bandages, et moyens de fixation tels que des fixations en sapin ou en queue d'arondi dans le cas d'une aube de rotor . Les parties 10 et il porront otro des pièces séparées réunies par soudage, brasage, ou autre pro ou ou avoir été coulées ensemble d'un seul bloc On voit que la partie 10 comporte une surfaite externe 12 fai- sant partie de la surface externe de l'aube, et une configuration interne comprenant une cavité principale 13 s'étendant longitudinalement, et une pluralité, dans le cas présent quatre, de cavités secondaires 14, 15, 16 et 17, s'étendant longitudinalement et situées chacune entre la cavité principale 13 et la surface externe 12 de l'aube . Dans l'exemple repré- senté, les cavités secondaires sont essentiellement parallèles à la cavité principale Chaque cavité secondaire est raccordée à la cavité principale par une pluralité de passages 18, 19, 20 et 21, respectivement, établissant chacun une communication directe entre la cavité principale et la cavité secondaire respective, et étant disposés en zig-zag sur la longueur de leur cavité respective de façon à permettre au fluide réfrigérant de passer de la cavité principale à chaque cavité secondaires et inversement, sur toute leur longueur On voit qu'en amenant de l'air réfrigérant à la cavité principale 13, on crée un écoulement gagnant les cavités secondaires dont les dimensions, ainsi que celles des passages, sont établies de façon que cet air vienne frapper, sous forme do jets, la surface de chaque cavité secondaire la plus proche de la surface externe 12 de l'aube de façon à assurer la réfrigération par impact de cotte surface . son outre, led- coulement d'air réfrigérant par ces passages produit une ré frigération par convection sur une grande superficie Un chemin de sortie doit autre prévu pour l1air ayant effectué son travail .On pourra laisser cet air s'échapper par les extrémités des cavités secondaires, cet écoulement dans le sens de l'envergure produisant une réfrigération par convection, mais il sera préférable de prévoir d'autres passa gos (tels que le passage 22 esquissé en traits interrompus) entre les cavités secondaires et la surface externe 12 de l'aube par lesquels passera l'air réfrigérant sortant pour effectuer un refroidissement laminaire de cette surface 12 en plus du refroidissement par impact déjà effectué On pourra en outre inverser le sens d'écoulement de l1air ré frigérant de façon qu(il pénètre dans les cavités secondaires 14, 13, 16 et 17 depuis le pied de l'aube pour les refroidir par convection en s'écoulant radialement sur toute leur longueur .A chacun des passages transversaux 18, 19, 20 et 21 une partie de l'air passe dans la cavité principale 13 à laquelle elle apporte un refroidissement supplémentaire par convection . L'air sortant de la cavité centrale 13 peut autre dirigé sur un autre passage radial précédemment inemployé, ou envoyé à d'autres zones de l'aube devant être réfrigérées , telles que la section arrière de l'aube ou le bandage des pointes d'aubes, ou-encore éjecté directement soue forme de couches laminaires intermédiaires aux passages radiaux Il est prévu que, lorsque les cavités 14, 15, 16 et 17 assurent l'alimentation initiale en air réfrigérant, elles iront en s'amincissant selon la longueur de l'aube pour maintenir une répartition de pression statique constante chassant l'air par les passages de communication en tenant compte de la ré- duction de l'écoulement et, dans le cas d'une aube tournante, de l'aspiration centrifuge Les figures 2 à 6 des dessins montrent le procédé de fabrication de 11 élément profilé aérodynamiquement de la figure 1 La figure 2 montre une matrice tripartie comprenant une pièce centrale allant en s'amincissant dans le sens longitudinal et comportant des évidements 24 dans lesquels s'engagent les extrémités de quatre rangés longitudinales de goujons 25 Ces rangées de goujons sont au nombre do deux sur chacune des deux parties principales 26 et 27 de la matrice On voit que, lorsqu'elles sont assemblées comme sur la figure 2, les parties de matrice définissent une cavité dont la forme extérieure est semblable à celle de la pièce 10 à réaliser bien que plus petite . Dans la première phase de la fabrication, on injecte une matière non réutilisable dans la matrice par des canaux dtin- jection (non représentés) pour remplir la cavité formée par la matrice . On entend par matière non réutilisable une matière pouvant entre complètement détruite ou éliminée de façon quelconque au cours d'une phase ultérieure de fabrication on peut citer comme exemples de telles matières les matières synthétiques thermoplastiques et les cires dures . On injecte la matière non réutilisable à l'état liquide dans la matrice et on en provoque la solidification .Le procédé utilisé à cette fin dépendra de la matière en question et pourra consister à la laisser refroidir ou à la chauffeur pour y produire une réaction requise, ou simplement Aa laisser passer le temps nécessaire à la production dssune réaction Lorsque la matière s'est solidifiée, on retire les éléments de matrice, opération rendue possible par la conicité de l'élément central 23 que l'on peut extraire longitudinalement quand les deux parties principales 26 et 27 de la matrice ont été séparées et retirées avec leurs goujons 23 La pièce non réutilisable 28 ainsi formée est alors montée dans une seconde matrice fendue représentée à la figure 3 Cette matrice est simplement un moule biparti dont les deux moitiés 29 et 30 définissent ensemble une cavité dans laquelle la pièce 28 s'adapte exactement mais qui possède des Bvi- dements longitudinaux 31 correspondant à des évidements ser- blables 32 ménagés dans la surface de la pièce 28 pour former des canaux communiquant avec les vides laissés par les goujons 25 . On procède maintenant à la manoeuvre usuelle d'injection d'un noyau céramique pour remplir la cavité intérieure de la pièce 28, les vides laissés par les goujons 25 et les canaux formés par les évidements 31 et 32 avec une matière céramique que l'on fait se solidifier et que l'on cuit de la manière habituelle . Cette cuisson pourra entraîner d'elle-même la des truction de la pièce 28 qui sera extraite de la matrice avec le noyau céramique, à moins qu'il ne faille éliminer cette pièce par des procédés chimiques . On réalise ainsi un noyau céramique comprenant, comme le montrent les figures 5 et 6, un corps central 33 s'étendant longitudinalement et quatre appendices 34 s'étendant aussi lon gitudinalement . Chaque appendice 34 est joint au corps 33 par une rangée de colonnettes 35 disposées en zig-zag ; ces colonnettes 35 sont colles initialement définies par les goujons 25, le corps central 33 l'étant par l'élément central 23 et les appendices 34 l'étant par les évidements coincidents 31 et 32 Les colonnettes 35 sont disposées selon des rangées en zigzag plutôt que rectilignes ; ceci est d'importance car il est évident que, sans cela, le corps central 33 et chaque appendice 34 ne seraient joints que par une rangée unique de colonnettes minces très enclines à s'infléchir et à autre endommagées si le noyau était manipulé sans soin .Par le tracé en zig-zag des rangées de colonnettes, ces dernières forment en fait un pont résistant beaucoup mieux à ces charges On utilise alors, dans une opération normale de moulage à cire perdue, le noyau ainsi formé pour produire la partie d'élément profilé 10 . La figure 4 montre le moule utilisé pour l'injection de cire ; c'est un moule biparti comprenant les demi-moules 36 et 37 et présentant une cavité interne de forme correspondant à celle que l'on cherche à donner à la surface externe de la pièce 10 . Le noyau est immobilisé dans cette cavité et lwon injecte de la cire pour remplir cotte cavité puis on laisse cette cire se solidifier On démoule et lon enrobe la cire d'une pâte céramique visqueuse pour former une coquille céramique .On chauffe cette coquille pleine de cire pour dviminer cette dernière et laisser une cavité ayant la forme recherchée do la pièce 10 et que l'on remplit de métal fondu . On élimine enfin, en ge ral par rinçage chimique, la coquille céramique et le noyau pour isoler la pièce 10 recherchée On notera q\ie l'exemple décrit ci-dessus ne représente qu'une application très simple de la présente invention et que celleci sera probablement appliquée à des éléments profilés adro- dynamiquement plus complexes que celui qui a été décrit, c'est à dire à des éléments complets comportant un bord de fuite et une partie centrale également refroidis . On notera également que, bien que l'élément profilé aérodynamiquement dont la pièce 10 est une partie soit fondamentalement une aube de rotor, la technique de l'invention est également applicable à des aubes ou ailettes de stator REVENDICATIONS 1. Elément creux refroidi, profilé aérodynamiquement, pour moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce quiil comprend une cellule réalisée par moulage, dont ltintérieur compor te une cavité principalé d'entrée d1air s'étendant dans le sens longitudinal de l'élément, et une pluralité de cavités secondaires s'étendant dans le sens longitudinal de 11 élément et placées entre la cavité principale et la face externe de l'élément, chacune desdites cavités secon daires communiquant avec la cavité principale par une plu ralité do passages, ces cavités principal. et secondaires et ces passages étant tous réalisés par l'opération de moulage de la cellule 2.Elément profilé aérodynamiquement selon la Revendication 1 caractérisé en ce que ladite cellule comprend touts la zone du bord d'attaque de la partie aérodynamiquement pro filée d'une aube ou ailette dont la surface externe for mera la face externe de ladite cellule . 3. Elément profilé aérodynamiquement selon la Revendication 2 caractérisé en ce que le reste de la partie aérodynamique ment profilée de l'aube ou ailette possède sa propre con figuration interne de refroidissement 4. Elément profilé aérodynamiquement selon la Revendication 1 caractérisé en ce que les passages faisant communiquer au moins une desdites cavités secondaires avec la cavité prin cipale sont disposés selon des lignes brisées 5. Elément profilé aérodynamiquement selon la Revendication 1 caractérisé en ce que les cavités secondaires sont au nom bre de quatre 6. Elément profilé aérodynamiquement selon la Revendication 1 caractérisé par des passages supplémentaires faisant com muniquer l'une au moins desdites cavités avec la face ex terne de la cellule 7.Procédé de réalisation d'un élément profilé- aérodynamique ment selon la Revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, successivement, à faire un noyau céramique ayant un corps central longitudinal et une pluralité de corps secondaires longitudinaux espacés chacun du corps central par une pluralité de colonnettes séparées, puis à utiliser co noyau à une opération de moulage à cire perdue pour produire la cellule et ses cavités internes 8. Procédé selon la Revendication 7 caractérisé en ce chaque pluralité de colonnettes séparées est disposée selon des lignes brisées 9. Procédé selon la Revendication 7 caractérisé en ce que le noyau est réalisé selon la technique d'une pièce non réu tilisable 10.Procedé selon la Revendication 9 carautérisé en ce qutil consiste, successivement, à réaliser une pièce non réuti lisible comportant une cavité interne dont la forme cor respond à celle du corps central longitudinal, des colon nettes et d'une partie au moins des corps secondaires lon gitudinaux g à immobiliser cette pièce dans un moule dont les parois internes coopèrent avec elle pour former les parties creuses dont la forme correspond à celle des corps secondaires longitudinaux ; à injecter une matière cérami que dans cette cavité pour former un noyau céramique ; à retirer la pièce non réutilisable ; et à employer ce noyau céramique à la réalisation de l1élément profilé aérodyna miquement par un procédé de moulage à cire perdue