Brevet FR2615243A1 — publié le 19881118

La présente invention concerne les aubes en général d'une turbomachine telle qu'une turbine à gaz et, plus particulièrement, le refroidissement des aubes à leurs extrémités. Une tubomachine telle qu'une turbine à gaz comporte une turbine ayant un trajet de circulation de gaz chaud constitué d'une alternance d'étages annulaires de tuyères fixes et d'aubes tournantes. Les aubes sont fixées à un disque qui est, à son tour, assujetti à un rotor de sorte que le gaz chaud, suivant la direction générale de son trajet, provoquera le transfert d'énergie cinétique aux aubes et aux disques, d'o l'entraînement du rotor en rotation. Le gaz chaud est libéré à la suite d'une réaction de combustion se produisant en amont et peut avoir une température de l'ordre de 1150 C ou plus. Il est en général tenu compte de ces températures élevées en refroidissant les composants fixes et tournants se trouvant dans le trajet du gaz chaud. Un procédé pour refroidir les aubes tournantes d'une- turbine consiste à canaliser axialement l'air refoulé par un compresseur le long du rotor de la turbine à gaz jusqu'à ce qu'il soit prélevé par l'aube tournante de façon à être refroidi. L'aube comporte une cavité intérieure de façon que l'air de refroidissement est envoyé radialement à travers l'aube et est ensuite déchargé de l'aube pour entrer dans le -2trajet du gaz chaud après avoir traversé des trous ménagés dans la surface de l'aube. Le trajet du gaz chaud comporte une enveloppe annulaire, radialement extérieure, qui s'étend axialement et entoure un étage d'aubage tournant de façon que le jeu radial entre l'enveloppe et les extrémités des aubes soit aussi petit que possible afin de minimiser les fuites axiales du gaz chaud. Si du gaz est amené à contourner un étage d'aubage, cela a un effet néfaste sur le rendement de la turbine. Naturellement, on a ajusté le jeu radial mentionné ci-dessus afin d'éviter que les extrémités des aubes ne frottent contre l'enveloppe extérieure. On réalise certaines extrémités des aubes en réunis- sant des parois latérales s'étendant radialement et on perce des trous radiaux dans l'extrémité pour qu'ils débouchent dans la cavité intérieure de manière à permettre à l'air de refroidissement d'être extrait de cette cavité. Cependant, certaines aubes ne sont pas suffisamment épaisses à leurs extrémités pour permettre un tel perçage; et si de telles aubes sont suffisamment épaisses, on peut alors s'attendre à ce qu'un frottement accidentel se produisant entre l'aube et l'enveloppe ait des effets fâcheux sur cette dernière. Ce qui est encore plus important est que la présence du petit jeu radial entre l'enveloppe et l'extrémité de l'aube pourrait avoir pour effet que les trous percés radialement empêchent d'obtenir un volume suffisant de l'air de refroidissement déchargé; ou inversement, l'existence d'un grand jeu radial, suffisant pour permettre une décharge adéquate de l'air de refroidissement, pourrait avoir pour résultat des pertes inacceptables du gaz chaud. On a trouvé une solution au dilemme du jeu radial aux extrémités en les coiffant avec un chapeau, celui-ci étant en retrait de l'extrémité de l'aube afin de créer et définir une chambre ouverte à cette extrémité. La chambre est en outre définie par des parties en prolongement des parois latérales opposées de l'aube. L'air de refroidissement, provenant de la 3- cavité intérieure de l'aube, est introduit dans la chambre en passant par au moins un trou reliant la cavité intérieure à la chambre. La profondeur de la chambre, ou inversement la hauteur des parties en prolongement des parois latérales, dépendent des conditions de refroidissement. Par exemple, plus il y a d'air de refroidissement à extraire de la cavité intérieure d'une aube, plus la chambre doit être profonde ou inversement plus ses parois doivent être hautes. Cependant, lorsqu'on augmente la hauteur des parois de la chambre, il devient plus difficile de procéder au refroidissement car des parties de l'extrémité ne font plus partie des régions refroidies de l'aube, d'o l'augmentation du trajet de conduction. Ce problème est particulièrement aigu au bord d'attaque de l'aube de la turbine. -Le problème précédant a été étudié dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 142 824, qu'on incorpore ici à titre de référence. Le brevet enseigne que certaines surfaces extérieures de l'aube de la turbine peuvent être refroidies par conduction au moyen de canaux soit percés à l'intérieur de l'aube soit constitués de manchons fixés à la circonfé- rence extérieure des aubes. Cette solution au problème augmente les coûts de fabrication tout en étant limitée au cas o la conception de l'aube permet le perçage de canaux intérieurs ou l'application de manchons de refroidissement. La présente invention a par conséquent pour objet une conception d'aube perfectionnée donnant un meilleur refroi- dissement de l'extrémité de l'aube. La présente invention a pour autre objet une concep- tion de l'extrémité d'une aube qui minimisera la hauteur nécessaire des parties en prolongement des parois latérales. La présente invention a encore pour objet une concep- tion de l!extrémité de l'aube qui tiendra compte de ses conditions de refroidissement indépendamment du jeu radial formé avec l'enveloppe environnante. Une aube de turbomachine comporte des parois latérales 2615 2 43 - 4 - opposées, s'étendant radialement, qui définissent des sur- faces convexes (aspiration) et concaves (pression) dans le trajet de circulation du gaz chaud de la turbomachine. Un chapeau recouvrant l'extrémité de l'aube est disposé dans la direction radiale de l'intérieur à partir de l'extrémité de l'aube afin de définir une cavité intérieure dans l'aube et une chambre ouverte en retrait de l'extrémité de l'aube. La chambre est en outre définie par des parties en prolongement convexes et concaves des parois latérales qui s'étendent à partir du chapeau de l'extrémité de l'aube. L'intérieur de l'aube est refroidi par fluide et il y a au moins un trou reliant la chambre à la cavité intérieure de l'aube. L'extrémité de l'aube comporte en outre une ouverture ménagée dans la partie en prolongement des parois latérales afin d'améliorer la circulation de l'air de refroidissement entre la cavité intérieure de l'aube et la chambre de l'extrémité de l'aube et la sortie de l'air. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue de côté en élévation d'une partie du trajet du gaz chaud dans une turbomachine à écoulement axial; figure 2, une vue en perspective d'une aube de turbomachine comportant une partie d'extrémité selon l'art antérieur; figure 3, une figure en crevé d'une aube de turbo- machine selon un mode de réalisation de la présente inven- tion; figure 4, une vue agrandie en perspective de l'extré- mité d'une aube de turbomachine selon la présente invention. La figure 1 représente une partie du trajet d'un gaz chaud dans la turbine 10 d'un moteur à turbine à gaz. Dans cette figure on a illustré l'étage amont fixe 12 du stator, l'étage aval fixe 14 du stator, ces deux étages étant séparés par un étage 16 de rotor à aubage. Les expressions amont et aval s'entendent par rapport au sens d'écoulement du gaz -5- chaud dans la turbine 10, ce sens étant représenté par la flèche 17. Le gaz chaud 17 est, naturellement, produit par un dispositif de combustion classique (non représenté) en amont de la turbine 10. Chaque étage du stator comporte un anneau radialement intérieur de support 18 et un anneau radialement extérieur de support 20, une multitude d'aubes aérodynamiques 22 (seule une aube a été représentée pour chaque étage) étant disposées entre les anneaux pour conférer une configuration généralement annulaire à chaque étage du stator. L'étage 16 du rotor comporte un disque 30 qui est fixé à un rotor de turbine (non représenté) et peut donc tourner avec lui. Une multitude d'aubes de turbine 34 (seule une aube est représentée) sont fixées au disque 30 par un joint en queue d'aronde 36 entre le disque 30 et la racine 38 de l'aube de la turbine. Une plate-forme 40 relie la racine 38 à une partie aérodynamique creuse 42 de l'aube 34. Lorsqu'une multitude d'aubes 34 sont montées sur le disque 30, la multitude de plates-formes 40 coopère avec les anneaux contigus avant et aval 18 du stator pour former une limite radialement intérieure pour le trajet du gaz chaud. Une limite-radialement extérieure du trajet 17 du gaz chaud est définie par une enveloppe extérieure fixe 46 qui est montée entre les étages contigus 12 et 14 du stator. Le refroidissement des aubes s'effectue en admettant un fluide de refroidissement 17 dans la racine 38 de chaque aube par l'intermédiaire d'une ouverture d'entrée 50 ménagée dans cette racine. Le fluide de refroidissement 47 peut être de l'air refoulé par un compresseur qui est acheminé jusqu'à l'étage 16 du rotor par l'une quelconque des méthodes connues. Le fluide 47 est alors canalisé à partir de la racine 38 de l'aube pour entrer dans la partie 42 du plan aérodynamique suivant une manière qu'.on décrira plus pleine- ment. Un moyen pour admettre le fluide de refroidissement 47 dans la cavité intérieure 43 d'une aube comporte l'ouverture d'entrée 50, un passage axial 52 et des canaux 54 ménagés dans la racine 38. -6- En figure 3, l'ouverture d'entrée 50 (figure 1) ménagée dans la racine 38 de l'aube alimente une multitude de canaux 54 pratiqués dans la racine 38 de l'aube 34. Les canaux 54 communiquent avec la cavité intérieure 43 ménagée dans la racine 38 qui peut comporter une multitude de déflecteurs 58 afin de diriger le fluide de refroidissement 47 selon nécessité dans la totalité de la cavité intérieure 43. Selon la figure 2, la partie aérodynamique 42 de l'aube 34 comporte une paire de parois latérales s'étendant radialement en étant sensiblement parallèle, comprenant une paroi latérale concave 60 ou paroi côté pression de l'aube et une paroi latérale convexe 62 ou paroi côté aspiration de l'aube. Les parois latérales 60, 62 sont reliées l'une à l'autre au droit d'un bord d'attaque 64 et d'un bord de fuite 66 du profil aérodynamique. La figure 2 représente l'aube 34 avec le chapeau d'extrémité 68 de l'art antérieur, lequel est en retrait de l'extrémité radialement extérieure 69 de l'aube de manière à définir une chambre ouverte 70. Définissant également la chambre 70, des parties radiales en prolongement des parois latérales 60, 62 comprennent une partie concave 72 en prolongement de la paroi latérale et une partie convexe 74 en prolongement de la paroi latérale. En figure 2 on peut voir facilement que l'aube 34 présente deux ouvertures d'échappement principales pour le fluide de refroidissement 47, comportant au moins un trou 76 ménagé dans le chapeau 68 (on a représenté deux trous) et une multitude de-trous 78 pratiqués dans le bord de fuite. En outre, il peut y avoir un trou supplémentaire 80 dans l'extrémité 69 de l'aube pour effectuer le refroidissement de cette partie d'aube 34. En liaison maintenant avec la figure 2, laquelle représente une extrémité classique d'aube de l'art antérieur, les flèches 47 représentent l'écoulement de l'air de refroi- dissement à la sortie des ouvertures 76 du chapeau 68, dans sa traversée de la chambre 70 et dans son passage sur la -7- partie convexe 74 en prolongement. L'écoulement est partiel- lement contrôlé par le jeu radial 82 existant entre l'extré- mité de l'aube 34 et l'enveloppe annulaire 46 (figure 1) étroitement contiguë à l'extrémité de l'aube. Le jeu est un compromis entre les conditions de refroidissement de l'aube, la pénétrabilité entre l'extrémité de l'aube et l'enveloppe de manière à permettre la sortie du fluide de refroidisse- ment, et les impératifs de minimisation de la fuite de gaz chaud contournant l'aube; donc, la proximité de l'extrémité de l'aube et de l'enveloppe. On a découvert que, la hauteur radiale des parois latérales de l'aube augmentant, le refroidissement de certaines parties de l'aube diminue. Ainsi, la hauteur radiale h des parois de la chambre augmentant pour conférer un refroidissement plus effectif de l'aube par amélioration de l'écoulement à la sortie des trous 76, les parties du profil aérodynamique ou de l'aube éliminées de la partie creuse 42 peuvent commencer à provoquer des déficiences en matière de refroidissement à cause de la plus grande longueur du trajet de refroidissement par conduction entre l'aube et la cavité intérieure creuse. Ce problème a été bien traité dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 142 824, déjà mentionné, dans lequel on enseigne le refroidissement par conduction du bord d'attaque des parois latérales étendues au moyen des trous de refroidis- sement ou des manchons de refroidissement. Selon la présente invention, on propose une solution à ce problème qui est économique et plus efficace. En liaison avec la figure 4, laquelle représente l'extrémité perfectionnée de l'aube, la solution de la discussion précédente concernant le jeu à l'extrémité de l'aube et le refroidissement des parties de l'aube qui ont été éliminées dans la partie creuse du profil aérodynamique s'avère être une ouverture 86 dans une. partie convexe 88 de l'aube 34, ou partie en prolongement de la paroi latérale côté aspiration, qui permet au fluide de refroidissement présent dans une chambre 96 formée par le chapeau 97 de l'extrémité de sortie de la chambre sans être concerné par le jeu radial entre l'extrémité 98 de l'aube et l'enveloppe annulaire 46 l'entourant. L'ouverture 86 est pratiquée dans la partie en prolongement 88 de manière à minimiser le risque d'entrée du gaz chaud dans la chambre 96. Dans un mode de réalisation préféré illustré en figure 4, o le chapeau de l'extrémité de l'aube comprend un premier trou 100 (bord d'attaque) et un second trou 102, on préfère placer l'ouver- ture 86 entre le premier trou 100 le plus proche du bord d'attaque 108 et n'importe quel trou secondaire 102 le suivant de sorte que le réfrigérant sortant du premier trou est amené à sortir directement par l'ouverture 86 et n'est pas dévié ou gêné par l'écoulement de l'air de refroi- dissement provenant des trous 102 suivants. La raison de l'existence de deux trous dans le chapeau 97 est que le bord d'attaque 108 de l'aube peut comporter un canal spécialisé 59 dans la cavité intérieure 43 (figure 3) afin d'améliorer le refroidissement de ce bord d'attaque. Naturellement, il est possible d'avoir plusieurs ouvertures 86 coopérant avec plusieurs ouvertures ménagées dans le chapeau de l'extrémité de l'aube sans s'éloigner du dDmaine de la présente inven- tion. D'après ce qui précède on peut voir que la présente invention présente plusieurs avantages. Les performances thermiques de la turbine elle-même sont améliorées grace à la possibilité d'avoir des jeux plus petits aux extrémités, lesquels minimisent la fuite axiale du gaz chaud. L'ouverture 86 ménagée dans la partie 88 en prolongement de la paroi latérale a pour effet que l'écoulement du fluide de refroi- dissement de l'aube ne dépend plus seulement du jeu radial à son extrémité. La chambre 96 relativement peu profonde, avec une hauteur h' inférieure à h, permettra un meilleur refroidissement de la partie 88, en particulier dans le bord d'attaque, et par conséquent élimine la nécessité d'avoir -2615243 recours à d'autres canaux de refroidissement ou à des manchons de refroidissement. Cela est dû au fait que la longueur du trajet de refroidissement par conduction entre l'extrémité 98 de l'aube et la partie creuse refroidie du profil aérodynamique est plus petite. En plaçant l'ouverture 86 sur le côté aspiration de l'aube, le risque d'une fuite dans cette chambre depuis l'extérieur de l'aube est réduit. De plus, en plaçant l'ouverture 86 à proximité du trou 100 ménagé dans le chapeau de l'extrémité de l'aube, le plus proche du bord d'attaque, l'air de refroidissement sortant de la cavité inférieure de l'aube sera directement déchargé de la chambre en passant par l'ouverture 86 sans être dévié par les écoulements de l'air de refroidissement provenant des autres trous 102 pratiqués dans le chapeau 97 de l'extrémité. Avec l'incorporation de l'ouverture 86 dans la paroi latérale 88, la hauteur h' de la chambre sera inférieure à la hauteur h de l'art antérieur et par conséquent empêchera l'existence de points chauds dans les parois latérales de la chambre. - 10 - REVENDICATIONS 1. Aube de turbomachine caractérisée en ce qu'elle comprend des parois latérales espacées, s'étendant radiale- ment, reliées aux bords d'attaque (108) et de fuite; un chapeau (97) d'extrémité d'aube en retrait par rapport à l'extrémité radialement extérieure de l'aube; une cavité intérieure (43) dans l'aube; une chambre ouverte (96) définie par le chapeau d'extrémité et des parois latérales s'étendant radialement; un trou (100) ménagé dans le chapeau d'extré- mité reliant la cavité intérieure de l'aube à -la chambre ouverte; et, au moins une ouverture (86) pratiquée dans l'une des parois latérales disposée au-dessus du chapeau d'extrémité. 2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que les parois latérales s'étendant radialement sont des parois convexe et concave; et l'ouverture (86) ménagée dans la paroi latérale radiale l'est dans la paroi convexe (88). 3. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'il y a au moins deux trous (100, 102) dans son chapeau d'extrémité; et, au moins une ouverture (86) dans la paroi latérale s'étendant radialement située entre les deux trous. 4. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que les parois latérales s'étendant radialement sont des parois convexe et concave, en ce qu'elle comprend en outre au moins des premier (100) et second (102) trous dans le chapeau d'extrémité; et, en ce que l'ouverture (86) ménagée dans la paroi latérale radiale se trouve entre les premier et second trous pratiqués dans la paroi latérale radiale convexe. 5. Aube pour turbomachine caractérisée en ce qu'elle comprend des parois latérales espacées, s'étendant radiale- ment, reliées aux bords d'attaque (1-08) et de fuite, un chapeau (97) d'extrémité de l'aube espacé radialement dans la direction de l'intérieur à partir d'une extrémité radialement extérieure de l'aube pour définir une cavité intérieure (43) dans l'aube et une chambre ouverte (96) entre le chapeau - 1 1 - d'extrémité de l'aube et son extrémité extérieure, la chambre ouverte étant partiellement définie par des parties radiales (88) en prolongement des parois latérales convexe et concave un moyen (50) pour admettre un fluide de refroidissement dans la cavité intérieure de l'aube; au moins un trou (100) ménagé dans le chapeau d'extrémité de l'aube pour faire communiquer la cavité intérieure et la chambre ouverte; et une ouverture (86) pratiquée dans la paroi latérale convexe de la partie radiale en prolongement (88), d'o il résulte que le fluide de refroidissement provenant de la cavité intérieure traverse le trou ménagé dans le chapeau de l'extrémité de l'aube et sort de l'ouverture dans la paroi latérale convexe de la partie radiale en prolongement. 6. Aube selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'ouverture (86) ménagée dans la paroi latérale convexe (88) de la partie radiale en prolongement est étroitement contiguë au trou formé dans le chapeau (97) de l'extrémité de l'aube. 7. Aube selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'il y a plusieurs trous (100, 102) dans le chapeau (97) de l'extrémité de l'aube pour faire communiquer la cavité intérieure (43) avec la chambre ouverte (96); et en ce que l'ouverture pratiquée dans la paroi latérale convexe (88> de la partie radiale en prolongement est étroitement contiguë au trou (100) le plus proche du bord d'attaque (108) de l'aube. 8. Turbine à gaz du type comportant un trajet de gaz chaud comprenant au moins un étage amont (12) de stator fixe, au moins un étage aval (14) de stator fixe et un étage d'aubes tournantes (16) entre eux, l'étage d'aubes (16)- étant entouré par une enveloppe annulaire, l'étage d'aubes compor- tant une multitudes d'aubes (34) refroidies par fluide, chacune présentant des surfaces aérodynamiques convexe (88) et concave reliées au droit du bord d'attaque (108) et du bord de fuite, chaque aube comprenant en outre un chapeau d'extrémité (97) en retrait par rapport à l'extrémité - 12 - radialement extérieure de l'aube afin de définir une cavité intérieure dans l'aube et une chambre ouverte (96) entre le chapeau d'extrémité (97) de l'aube et l'extrémité (98) radialement extérieure de l'aube; un moyen pour admettre un fluide de refroidissement dans la cavité intérieure (43) de l'aube; au moins un trou (100) formé dans le chapeau d'extrémité (97) de l'aube pour faire communiquer la cavité intérieure (43) avec la chambre ouverte (96); et, une ouverture (86) pratiquée dans la surface convexe (88) entre le chapeau d'extrémité (97) de l'aube et l'extrémité (98) radialement extérieure de l'aube étroitement contiguë au trou du chapeau d'extrémité, d'o il résulte que le fluide de refroidissement provenant de la cavité intérieure (43) de l'aube entre dans la chambre ouverte (96) et est déchargé par l'intermédiaire de l'ouverture (86) ménagée dans la surface convexe '(88) quelle que soit la distance entre l'extrémité de l'aube et l'enveloppe annulaire l'entourant. 9. Turbine à gaz selon la revendication 8, caracté- risée en ce que chaque chapeau d'extrémité (97) comporte plusieurs trous (100, 102) pour faire communiquer la cavité intérieure (43) avec la chambre ouverte (96); et en ce que l'ouverture (86) de la surface convexe est située en étant étroitement contiguë au trou (100) le plus proche du bord d'attaque (108) de l'aube. 10. Aube perfectionnée de turbomachine refroidie par fluide du type comportant des parois latérales s'étendant radialement, espacées l'une de l'autre, reliées au bord d'attaque et au bord de fuite et définisant entre elles une cavité intérieure (43) refroidie par fluide; un chapeau d'extrémité (97) d'aube en retrait par rapport à l'extrémité radialement extérieure (98) de l'aube; une chambre ouverte (96) ayant une hauteur h' définie par le chapeau d'extrémité (97) et les parois latérales s'étendant radialement au-delà de ce chapeau; au moins un trou (100) ménagé dans le chapeau d'extrémité (97) reliant la cavité intérieure (43) de l'aube - 13 - à la chambre ouverte (96) afin de permettre au fluide de refroidissement de sortir de la cavité intérieure, caractéri- sée en ce que l'aube comprend au moins une ouverture (86) dans les parois latérales de la chambre, d'o il résulte que la hauteur h' est inférieure à la hauteur de la chambre d'une extrémité classique d'aube exempte de ladite ouverture. 11. Aube selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle est au nombre de deux, une première aube ayant une hauteur h et une seconde aube ayant une hauteur h', la seconde aube comportant ladite ouverture (86) dans la paroi latérale de la chambre (96) de sorte que h' est inférieur à h.