Brevet FR2652612A1 — publié le 19910405

La présente invention concerne de manière généra- le une ailette pour des turbines, des compresseurs, des soufflantes appelées communément fans, et analogue, et plus particulièrement une ailette comportant un refroi- dissement interne perfectionné. Des turbines comportent des aubes en forme d'ai- lettes qui sont utilisées pour extraire une énergie utilisable d'un fluide chaud en mouvement. Des moteurs à réaction comportent des turbines qui sont constituées par certaines aubes de turbine fixées à une roue motrice de la turbine en rotation et par certaines aubes de turbine (quelques fois appelées pales) qui sont fixées à un châssis de stator de turbine qui n'est pas en rotation. Les moteurs à réaction d'avions modernes ont utilisé un refroidissement interne des aubes de turbine afin de maintenir les températures d'aubes à l'intérieur des limites pour lesquelles elles ont été conçues. Typiquement, ces aubes sont refroidies par un air qui traverse des voies de passage internes, l'air entrant à proximité de la base de l'aube (la partie fixée de l'aube) et sortant à proximité de l'extrémité de l'aube (la partie d'extrémité libre de l'aube) . Des voies de passages de refroidissement d'aube de turbine connues qui ont une forme en serpentin ou hélicoïdale améliorent l'efficacité de refroidissement en augmentant la longueur du passage de l'écoulement de l'agent de refroidissement par rapport à la longueur du passage de l'écoulement en ligne droite. Une voie de passage en forme de serpentin produit un écoulement en serpentin et comporte une ligne médiane en forme de serpentin qui court à l'intérieur et vers le bas du milieu de la voie de passage, tandis qu'une voie de passage de forme hélicoïdale comporte une ligne médiane de forme hélicoïdale qui court à l'intérieur et vers le bas du milieu de la voie de passage. D'une part, il y a un problème de contrainte thermique avec une aube qui comporte une voie de passage en serpentin du fait que l'agent de refroidissement prend continuellement de la chaleur lorsqu'il s'écoule en haut et en bas de l'aube, ce qui crée une température non uniforme le long de l'aube depuis son bord d'attaque jusqu'à son bord arrière. D'autre part, une aube qui comporte une voie de passage hélicoïdale sur-refroidit la zone centrale inutilisée dans laquelle la voie de passage hélicoïdale forme ses spirales, ce qui conduit à nouveau à une température non uniforme le long de l'aube. Un objet de la présente invention consiste à fournir une ailette qui comporte un refroidissement interne perfectionné. Un autre objet de la présente invention consiste à fournir une ailette qui comporte un passage d'écoulement d'agent de refroidissement étendu. Encore un autre objet de la présente invention consiste à fournir une ailette qui permette d'obtenir une température d'aube plus uniforme sur toute la section de l'aube. Dans un mode de réalisation de la présente invention, l'ailette comporte un corps d'ailette avec une voie de passage d'agent de refroidissement qui présente une ligne médiane qui est généralement droite et généralement parallèle à l'axe longitudinal du corps d'ailette pour diriger l'écoulement d'agent de refroi- dissement suivant une direction généralement longitu- dinale. L'ailette comporte aussi un élément rapporté placé à l'intérieur de la voie de passage de l'agent de refroidissement dirigé longitudinalement de telle sorte que l'écoulement de l'agent de refroidissement dirigé longitudinalement effectue au moins un tour complet autour d'un axe de rotation qui est généralement parallèle à la ligne médiane de la voie de passage de l'agent de refroidissement. Ainsi, l'écoulement de l'agent de refroidissement suit un passage hélicoidal dans une voie de passage qui comporte une ligne médiane droite. Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, l'ailette comporte un corps d'ai- lette muni d'une voie de passage de l'agent de refroi- dissement qui possède une ligne médiane qui est généralement droite et généralement parallèle à l'axe longitudinal du corps d'ailette pour diriger l'écoule- ment de l'agent de refroidissement suivant une direc- tion généralement longitudinale. Dans ce mode de réali- sation, la voie de passage de l'agent de refroidis- sement présente une section transversale non circu- laire, et la voie de passage de l'agent de refroi- dissement est enroulée sur sa longueur d'au moins un tour complet autour d'un axe de rotation qui est généralement parallèle à la ligne médiane de la voie de passage de l'agent de refroidissement. L'effet de la voie de passage à enroulement consiste à faire tourner l'écoulement de l'agent de refroidissement dirigé longitudinalement d'au moins un tour complet autour de l'axe de rotation. Ainsi, dans ce mode de réalisation, l'écoulement de l'agent de refroidissement suit aussi un passage hélicoïdal dans une voie de passage qui comporte une ligne médiane droite. Plusieurs bénéfices et avantages sont dérivés de la présente invention qui fournit une ailette qui comporte un écoulement hélicoïdal à l'intérieur d'une voie de passage de l'agent de refroidissement qui présente une ligne médiane droite. Le passage hélicoïdal de l'écoulement de l'agent de refroidis- sement est plus long que si l'écoulement de l'agent de refroidissement suit un passage en ligne droite dans la voie de passage. La trajectoire de l'écoulement étendue augmente la zone de transfert de chaleur, tandis que le mouvement hélicoïdal de l'écoulement frotte la paroi de la voie de passage, ce qui augmente le coefficient de transfert de chaleur. La ligne médiane droite de la voie de passage permet d'obtenir une température plus uniforme le long de l'aube du fait qu'elle évite le problème de température non uniforme le long de l'aube causé soit par l'écoulement vers le haut et vers le bas dans une voie de passage en serpentin soit par le sur- refroidissement de la zone centrale inutilisée au niveau de laquelle la voie de passage hélicoïdale s'enroule. A titre d'illustration, mais sans souci de limitation, les figures qui accompagnent la description qui suit illustrent des modes de réalisation variés de la présente invention parmi lesquelles: la figure 1 est une vue en perspective d'une aube de turbine de moteur à réaction qui inclut la présente invention; la figure 2 est une vue partiellement coupée de l'aube de turbine de la figure 1 qui montre les quatre voies de passage de l'agent de refroidissement de l'ai- lette qui impriment un mouvement de rotation à l'écou- lement de l'agent de refroidissement dirigé longitu- dinalement; et les figures 3, 4 et 5 sont des vues en coupe planes, o ne figure pas la structure environnante par souci de clareté, de l'ailette de la figure 1, en des distances longitudinales successives entre 1 'extrémité de l'ailette et sa base, ces figures montrant: l'enroulement d'une partie de la voie de passage la plus à gauche, l'enroulement d'une voie de passage carrée, la rotation d'une nervure hélicoïdale ventilée dans une voie de passage circulaire, et la rotation d'une nervure ventilée dans la voie de passage la plus à droite qui présente une forme arbitraire. Une aube de turbine de moteur à réaction d'avion 10, représentée sur la figure 1, comporte une partie formant corps 12 munie d'une queue d'aronde 14 pour permettre une fixation à une roue motrice de la turbine (non représentée) et une partie d'ailette 16 dont une base 18 est fixée à la partie formant corps 12. De l'air de refroidissement pénètre dans la partie formant corps 12 puis s'écoule au travers des voies de passage internes de l'agent de refroidissement 20, 22, 24 et 26 ménagées dans l'ailette 16, et s'échappe de son extrémité 28. L'ailette 16 comporte un corps d'ailette 30 qui comprend, comme on peut le voir sur les figures 2 et 3, quatre surfaces à parois internes 32, 34, 36 et 38, chacune définissant une des quatre voies de passage de l'agent de refroidissement 20, 22, 24 et 26 et chacune comportant une ligne médiane 56, 58, 42 et 48 (représentée sur la seule figure 3 par un point) qui court à l'intérieur et vers le bas du milieu de chaque voie de passage. Chaque ligne médiane est généralement droite et généralement parallèle à l'axe longitudinal 31 du corps d'ailette 30 pour diriger l'écoulement de l'agent de refroidissement suivant une direction généralement longitudinale. Dans trois des voies de passage 20, 24 et 26, qui représentent un premier mode de réalisation de la présente invention, l'ailette comporte aussi un moyen placé à l'intérieur de la voie de passage qui permet d'imprimer une rotation à l'écoulement de l'agent de refroidissement dirigé longitudinalement de telle sorte que l'écoulement de l'agent de refroidissement dirigé longitudinalement effectue au moins un tour complet autour d'un axe de rotation qui est généralement paral- lèle à la ligne médiane de la voie de passage de l'a- gent de refroidissement. De préférence, ce moyen com- porte des nervures ventilées hélicoïdales, des parties de voie de passage enroulées, des prolongements de voie de passage, et analogue, fixés à l'intérieur de la voie de passage sur la paroi interne ou à l'extérieur de la voie de passage, par exemple à la base de l'aube et/ou à son extrémité. Dans le cas de la première voie de passage 24, le moyen de rotation de l'écoulement comporte une nervure ventilée hélicoïdale 40 qui est fixée à la paroi interne 36. La nervure ventilée hélicoïdale 40 comporte un axe central qui coïncide généralement avec l'axe de rotation, et 1 'axe de rotation coïncide généralement avec la ligne médiane 42 de la voie de passage de l'agent de refroidissement. La première voie de passage 24 présente une coupe transversale généralement circu- laire, et la nervure ventilée 40 a une forme qui est généralement la même que la forme des filets d'un écrou. Une ailette comportant une première voie de passage 24 peut être fabriquée, par exemple, en fondant un corps d'ailette métallique autour d'un coeur moulé en céramique qui a la forme d'un boulon fileté, le coeur moulé étant ensuite ôté du corps d'ailette qui a été fondu par un procédé chimique. Une seconde voie de passage 26 présente aussi une nervure ventilée hélico- idale 46, mais l'axe de rotation 44 (représenté seule- ment sur la figure 3 par un point) est décalé par rapport à la ligne médiane 48 de la voie de passage de l'agent de refroidissement. En ce qui concerne la troisième voie de passage , le moyen de rotation de l'écoulement comprend une séparation 50 fixée à la paroi interne 32 de manière à diviser la voie de passage en deux sous-voies de passa- ge généralement égales 52 et 54. La séparation comporte un axe longitudinal qui coïncide généralement avec l'axe de rotation, et l'axe de rotation coïncide généralement avec la ligne médiane 56 de la voie de passage de l'agent de refroidissement. La troisième voie de passage 20 présente une coupe transversale généralement circulaire, et la séparation 50 est enroulée le long de sa longueur autour de l'axe de rotation. Une ailette qui comporte la troisième voie de passage 20 peut être fabriquée par exemple comme suit. Un corps d'ailette présentant une voie de passage d'agent de refroidissement circulaire est obtenu. De plus, une pièce rapportée de séparation est obtenue et elle peut être placée dans la voie de passage afin de diviser la voie de passage en deux sous-passages généralement égaux. La pièce rapportée de séparation est chauffée à une température à laquelle elle est maléable, et la pièce rapportée chauffée est ensuite enroulée sur au moins un tour complet autour de son axe longitudinal. Ensuite, la pièce rapportée enroulée 50 est placée dans la voie de passage 20, puis la pièce rapportée ainsi placée est fixée à l'intérieur de la voie de passage. La fixation peut être réalisée, par exemple, en fixant la pièce rapportée à la paroi inter- ne de la voie de passage par un procédé métallurgique connu. La quatrième voie de passage 22 est incorporée dans un second mode de réalisation de la présente invention dans lequel la voie de passage de l'agent de refroidissement a une coupe transversale non circulaire et de préférence carrée. La voie de passage de l'agent de refroidissement 22 est enroulée le long de sa lon- gueur sur au moins un tour complet autour d'un axe de rotation qui est généralement parallèle à la ligne médiane 58 de la voie de passage de l'agent de refroidissement, et qui de préférence coïncide avec elle. Une ailette comportant la quatrième voie de pas- sage 22 peut être fabriquée par exemple comme suit. Un coeur moulé à l'aide d'une tige en quartz et ayant une forme cylindrique non circulaire (telle qu'une colonne carrée) est obtenu. Le coeur moulé est chauffé à une température à laquelle il est maléable, et le coeur moulé chauffé est ensuite enroulé sur au moins un tour complet autour de son axe longitudinal. Ensuite, un corps d'ailette métallique est fondu autour du coeur moulé enroulé, puis le coeur moulé est ôté du corps d'ailette, qui a été fondu, par un procédé chimique. La présente invention fournit une ailette perfec- tionnée refroidie de manière interne, et cette ailette permet d'obtenir un écoulement hélicoïdal avantageux dans des voies de passage qui ont des lignes médianes de préférence droites. Il est bien entendu que l'ai- lette de la présente invention peut être incorporée, entre autre, dans une turbine fixe ou en rotation, dans un compresseur ou dans une aube de fan, dans une vanne, ou dans un stator, et elle peut conduire à des applica- tions diverses comprenant des moteurs à réaction d'avion, mais ne se limitant pas à ces moteurs, et il est aussi entendu que l'agent de refroidissement peut être un gaz et/ou un liquide. Il est aussi entendu que l'ailette de la présente invention peut contenir n'importe quel nombre, n'importe quelle combinaison, n'importe quelle configuration en coupe transversale, etc... des voies de passage décrites ci-avant. La description qui précède des modes de réalisation de la présente invention a été présentée à des fins d'illustration. Elle n'entend pas être exhaustive ou limiter la présente invention à la forme particulière décrite, et bien évidemment, bon nombre de modifications et de variations sont possibles à la lumière des enseignements mentionnés ci-avant, pourvu que ces modifications et ces variations s'inscrivent dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Ailette comprenant: (a) un corps d'ailette (30) comportant un axe longitudinal (31) et une voie de passage d'agent de refroidissement, la voie de passage d'agent de refroidissement présentant une ligne médiane qui est généralement droite et généralement parallèle à l'axe longitudinal du corps de l'ailette pour diriger l'écou- lement de l'agent de refroidissement suivant une direction généralement longitudinale; et (b) un moyen placé à l'intérieur de la voie de passage de l'agent de refroidissement pour imprimer une rotation à l'écoulement de l 'agent de refroidissement dirigé longitudinalement de telle sorte que l'écoule- ment de l'agent de refroidissement dirigé longitudina- lement effectue au moins un tour complet autour d'un axe de rotation qui est généralement parallèle à la ligne médiane de la voie de passage de l'agent de refroidissement. 2. Ailette selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que le moyen comporte une nervure ventilée hélicoïdale (40) qui présente un axe central qui coïncide généralement avec l'axe de rotation. 3. Ailette selon la revendication 2, caractéri- sée en ce que l'axe central coïncide généralement avec la ligne médiane (42) de la voie de passage (24) de l'agent de refroidissement. 4. Ailette selon la revendication 3, caractéri- sée en ce que la voie de passage (24) de l'agent de refroidissement a une section transversale généralement circulaire. 5. Ailette selon la revendication 4, caractéri- sée en ce que la nervure ventilée (40) a une forme qui est généralement la même que la forme des filets d'un ecrou. 6. Ailette selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que le moyen comporte une séparation (50) qui sépare la voie de passage (20) de l'agent de refroidis- sement en deux sous-voies de passage (52 et 54), la séparation ayant un axe longitudinal qui coïncide généralement avec l'axe de rotation, la séparation étant enroulée le long de sa longueur autour de l'axe de rotation. 7. Ailette selon la revendication 6, caractéri- sée en ce que l'axe de rotation coïncide généralement avec la ligne médiane (56) de la voie de passage (20) de l'agent de refroidissement. 8. Ailette selon la revendication 7, caractéri- sée en ce que la voie de passage (20) de l'agent de refroidissement présente une section transversale généralement circulaire. 9. Ailette comprenant un corps d'ailette (30) ayant un axe longitudinal (31) et une voie de passage de l'agent de refroidissement, caractérisée en ce que la voie de passage de l'agent de refroidissement a une ligne médiane qui est généralement droite et généralement parallèle à l'axe longitudinal du corps d'ailette (30), en ce que la voie de passage de l'agent de refroidissement a une section transversale non circulaire et en ce que la voie de passage de l'agent de refroidissement est enroulée le long de sa longueur d'au moins un tour complet autour d'un axe de rotation qui est généralement parallèle à la ligne médiane (58) de la voie de passage de l'agent de refroidissement. 10. Ailette selon la revendication 9, caractéri- sée en ce que l'axe de rotation coincide généralement avec la ligne médiane (58) de la voie de passage de l'agent de refroidissement. 11. Ailette selon la revendication 10, caracté- risée en ce que la voie de passage (22) de l'agent de refroidissement présente une section transversale généralement carrée.