Brevet FR2725474A1 — publié le 19960412

AUBE DE DISTRIBUTEUR DE TURBINE REFROIDIE La présente invention concerne une aube de distributeur de turbine refroidie du type comprenant plusieurs cavités séparées les unes des autres par des cloisons internes, alimentées par un fluide de refroidissement et munies de moyens favorisant les échanges thermiques, et des trous faisant communiquer les cavités avec l'extérieur pour per- mettre la sortie du fluide de refroidissement et la forma- tion de films de protection sur des surfaces extérieures de l'aube. Les aubes des distributeurs de turbine dans des turboma- chines sont soumises à des conditions de fonctionnement15 très sévères. Situées directement à la sortie de la chambre de combustion, les aubes de distributeurs de tur- bines supportent des températures très élevées, des chocs thermiques répétés à chaque changement de régime, et des hétérogénéités de température affectant diverses zones (bord d'attaque, intrados, extrados, bord de fuite) et entraînant des contraintes internes et une fatigue accé- lérée du matériau constitutif. Aux hétérogénéités de tem- pérature inhérentes à la géométrie de la pièce, s'ajou- tent, pour les aubes fixes, celles circonférentielles25 issues de la chambre de combustion, alors que les aubes de rotor intègrent les écarts de température dans le sens périphérique et ne "voient" que les températures moyennes dans le sens radial. Le refroidissement des aubes de distributeurs de turbine est généralement assuré par une circulation d'air prélevé au compresseur ou dans l'enceinte de la chambre, et il est réalisé par convection simple ou accélérée (impact d'une multitude de jets sur la surface A refroidir dans des cavités internes des aubes), et par évacuation de l'air à travers des rangées de trous débouchant à l'exté- rieur pour former des films protecteurs le long des sur- faces extérieures des aubes. Le refroidissement doit viser essentiellement à limiter la température maximale atteinte par le métal constitutif de l'aube et à limiter les gradients de température existant entre des zones voisines afin de réduire les contraintes, tout en réduisant au minimum la perte de rendement due au10 prélèvement de l'air froid. Différents dispositifs ont été proposés pour favoriser les échanges thermiques entre les différentes zones des aubes. En particulier, il est connu de former des picots,15 pontets, ailettes et perturbateurs d'écoulement à l'inté- rieur des cavités; un dispositif de ce type est décrit en particulier dans le brevet français 2 473 621 au nom de la Demanderesse. Il est connu par ailleurs de disposer à l'intérieur des aubes un corps poreux occupant tout ou20 partie des cavités; un exemple de réalisation d'un corps poreux au moyen de copeaux métalliques liés entre eux par brasage-diffusion est décrit dans le brevet français 2 483 513 au nom de la Demanderesse. Ces dispositifs connus favorisent certes les échanges thermiques mais les performances peuvent s'avérer insuffi- santes dans certains cas. Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de fournir une aube de distributeur de turbine refroidie dans laquelle les échanges thermiques sont encore améliorés par rapport à l'art antérieur. Ce but est atteint au moyen d'une aube du type défini en tête de la description et dans laquelle, conformément à l'invention: - le volume intérieur de l'aube est partagé en au moins trois cavités: une cavité aval et deux cavités amont, séparées les unes des autres par deux cloisons radiales constituées par une cloison principale orientée sensi- blement suivant la corde de l'aube entre le bord d'at- taque et l'intrados, et une seconde cloison orientée en direction sensiblement transversale entre la cloison principale et l'extrados, - la cavité aval est au moins partiellement remplie par un corps poreux en contact au moins avec la face interne de l'extrados, la paroi arrière de la cloison transver- sale et la cloison principale, ce corps poreux étant parcouru de l'arrière vers l'avant par le fluide de refroidissement lequel s'échappe ensuite au moins en partie à travers des trous formés dans la paroi d'ex- trados pour former un film de refroidissement à l'exté- rieur de celle-ci, et - les parois internes des cloisons amont présentent des parties saillantes formant ailettes et/ou perturbateurs d'écoulement, et communiquent avec l'extérieur au moins en partie à travers des trous formés dans les parois de l'aube bordant ces cavités. Le corps poreux parcouru de l'arrière vers l'avant par le fluide de refroidissement constitue un échangeur à contre-courant qui participe en outre au transfert calori- fique de l'extrados plus chaud vers l'intrados plus froid. Par ailleurs, les cavités avant sont pourvues de pertur- bateurs d'écoulement assurant un refroidissement efficace de l'aube dans la région du bord d'attaque. De plus, l'échappement du fluide de refroidissement à travers des trous répartis en différentes zones de l'aube donne nais- sance à des films de refroidissement protégeant les sur- faces extérieures de l'aube. Ces caractéristiques combi- nées permettent de limiter efficacement la température maximale que peut atteindre le matériau constitutif de l'aube dans les zones les plus exposées, ainsi que les gradients de température entre les différentes parties de l'aube. Ceci contribue à diminer l'inertie thermique tran- sitoire de l'aubage, donc à améliorer la réponse transi- toire en température, ce qui permet d'accepter une tempé- rature locale de gaz élevée (jusqu'à 2000 C) et de dimi- nuer nettement le périssement des aubes dû à la fatigue thermique.15 Avantageusement, la paroi de la cloison principale faisant face à la paroi d'intrados porte des ailettes. D'autres ailettes peuvent aussi être formées sur la paroi avant de la cloison transversale. Ces ailettes contribuent à confé-20 rer aux cloisons une fonction de puits de chaleur recueil- lant des calories transmises par conduction depuis l'ex- trados et par rayonnement depuis l'intrados. La cloison transversale se raccorde à la paroi d'extrados de préférence dans le quart avant de celle-ci. De la sorte, le fluide de refroidissement qui s'échappe à tra- vers les trous formés dans la paroi d'extrados, après avoir traversé le corps poreux à contre-courant, forme un film de refroidissement protégeant la majeure partie de30 la surface extérieure de l'extrados jusqu'au bord de fuite. Plusieurs séries de trous sont formées dans les parois de l'aube, les trous étant, dans chaque série, répartis radialement sur toute la hauteur de l'aube. De préférence, une première et une deuxième séries de trous sont formées dans la paroi d'extrados et font com- muniquer respectivement la cavité aval et une cavité amont avec l'extérieur, une troisième et une quatrième séries de trous sont formées dans la paroi d'intrados et font commu- niquer respectivement la cavité arrière et l'aute cavité amont avec l'extérieur, et une cinquième série de trous est formée dans la région du bord d'attaque et fait commu- niquer l'une des cavités amont vers l'extérieur. Grâce à10 ces différentes séries de trous, une protection efficace de toute la surface extérieure de l'aube est réalisée. D'autres particularités et avantages d'une aube conforme à l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective partielle en partie arrachée d'une aube conforme à l'inven- tion, et - la figure 2 est une vue en coupe transversale de l'aube de la figure 1. L'aube 10 représentée sur les figures 1 et 2 est une aube métallique coulée creuse dont le volume interne est divisé en trois cavités 20, 30, 40 au moyen de cloisons radiales 11, 12 venues de fonderie. La cloison 11, ou cloison principale, est orientée sensiblement suivant la corde de l'aube entre le bord d'attaque lOa et la paroi d'intrados i dans la partie centrale de celle-ci. La cloison 12 s'étend transversalement entre la cloison principale 11 (approximativement au tiers amont de celle-ci) et la paroi d'extrados 10e (approximativement au quart amont de celle- ci). 6 2725474 La cavité 20, ou cavité aval est délimitée par les trois quarts aval de l'extrados 10e, la cloison tranversale 12, les deux tiers aval de la cloison principale 11 et la moitié aval de l'intrados lOi. La partie amont de la ca- vité 20 est remplie par un bloc poreux 21 constitué par des copeaux métalliques qui sont liés entre eux, et aux parois de la cavité avec lesquelles ils sont en contact, par un procédé de brasage-diffusion. La mise en place d'un tel bloc poreux est réalisée comme décrit dans le brevet précité 2 483 513. Le bloc 21 est brasé de trois côtés à la structure de l'aube 10: sur la face interne de l'extrados 10e, sur la face arrière de la paroi transversale 12 et sur la cloison principale 11. Il sub- siste un espace libre 22 à l'arrière de la cavité 20, dans la zone adjacente au bord de fuite 10f. La cavité 20 est aliment-e en air de refroidissement pré- levé au compresseur et passant à travers une ouverture formée dans le pied de l'aube dans l'alignement du passage radial 22. Une partie de cet air s'échappe de la cavité 20 à travers une série de trous 23 répartis sur toute la hauteur de l'aube en plusieurs rangées radiales adjacentes et formés dans la paroi d'intrados 10i au voisinage de l'extrémité aval et orientés sensiblement parallèlement au bord de fuite 10f. Il est formé de la sorte un film de refroidis- sement protégeant la partie aval de l'intrados et le bord de fuite. L'autre partie de l'air traverse de l'arrière vers l'avant le corps poreux 21 puis débouche à l'extérieur à travers une série de trous 24 répartis sur toute la hauteur de l'aube en plusieurs rangées radiales adjacentes et formés dans la paroi d'extrados 10e au voisinage de la zone de 7 2725474 raccordement de la paroi transversale 12. L'air sortant des trous 24 parvient dans une zone de pression relati- vement faible. Il existe donc entre le passage 22 et les trous 24 une différence de pression qui permet l'écou- lement de l'air à travers le corps poreux 21 lequel, par sa nature, possède un coefficient d'échange thermique très élevé. Le flux de calories venant tant de l'intrados que de l'extrados vers le corps poreux est ainsi rejeté à l'extérieur par le flux d'air traversant le corps poreux.10 Les trous 24 sont orientés de manière à diriger vers l'aval le flux d'air sortant. L'air qui s'échappe à travers les ouvertures 24 a donc été sensiblement réchauffé mais il continue toutefois à participer au refroidissement par la création d'un film protecteur approximativement sur les deux- tiers aval de l'extrados 10e. L'efficacité du film protecteur diminue lorsqu'on se déplace vers l'aval. La circulation de l'air a contre-courar.nt- contribue donc à réaliser dans le métal20 de l'aube 10 des conditions pratiquement isothermes prin- cipalement du côté extrados. Des nervures longitudinales 25 constituant des perturba- teurs d'écoulement sont formées sur la paroi interne de l'extrados, dans la partie aval de cette paroi non couverts par le corps poreux 21, afin d'améliorer les échanges thermiques entre cette partie de paroi et l'air circulant dans le passage 22. La cavité amont 30 est délimitée par le quart amont de la paroi d'extrados 10e, le bord d'attaque 10a, le tiers amont de la cloison principale 11 et la cloison transver- sale 12. 8 2725474 L'angle dièdre formé par la face interne du bord d'attaque a et la partie amont de la cloison 11 est garni de ner- vures 31 perpendiculaires à la direction radiale et for- mant ailettes perturbatrices d'écoulement. D'autres ai- lettes 32 similaires sont formées sur les parois de l'ex- trados, de la cloison transversale et de la cloison prin- cipale bordant la cavité 30. La cavité 30 est alimentée en air de refroidissement à travers une ouverture formée dans la tête de l'aube 10. Plusieurs rangées de trous 33 s'étendant radialement sur toute la hauteur de l'aube sont formées dans la paroi d'extrados 10e pour permettre l'échappement d'au moins la15 majeure partie de l'air pénétrant dans la cavité 30. Les trous 33 sont orientés de manière à diriger le flux d'air sortant vers l'aval pour former ainsi un film de protec- tion. L'air circulant à travers la cavité 30 réalise un refroidissement énergique du bord d'attaque grâce aux ai- lettes 31 favorisant l'échange thermique entre l'air et la paroi de l'aube. Les ailettes 32 favorisent quant à elles les échanges thermiques permettant d'évacuer les calories ayant été acheminées dans la cloison transversale. On notera que le refroidissement par convection de la paroi interne du bord d'attaque 10a peut être accéléré en disposant une tôle perforée s'étendant radialement à proximité des ailettes 31, ce qui permet un impact de jets d'air contre la paroi interne du bord d'attaque entre les ailettes 31. La cavité amont 40 est délimitée par la cloison principale 11, la partie du bord d'attaque 10a située du côté intra- dos et approximativement la moitié amont de la paroi d'in- trados lOi. 9 2725474 Les parois qui se font face de l'intrados 10i et de la cloison principale 11 sont munies d'ailettes longitudi- nales respectives 41, 42. Les ailettes 41 constituent des perturbateurs d'écoulement et ont également comme fonction de rayonner des calories vers la cloison principale 11 d'o ces calories sont ensuite évacuées par conduction dans la cloison tranver- sale ou par le flux d'air de refroidissement traversant le10 corps poreux. Les ailettes 42 situées sur la cloison 11 contribuent par leur présence à assurer l'existence d'un puits de chaleur nécessaire au bon déroulement du pro- cessus de refroidissement dans la cavité aval. La cavité 40 est alimentée en air de refroidissement à travers une ouverture formée de préférence dans le pied de l'aube 10. Ainsi, l'écoulement de l'air dans la cavité 40 est en sens inverse de l'écoulement de l'air dans la cavité 30, ce qui contribue à la réduction des gradients thermiques. L'air admis dans la cavité 40 s'échappe principalement à travers deux séries de trous 43, 44. Les trous 43 sont répartis sur toute la hauteur de l'aube en plusieurs25 rangées radiales adjacentes formées dans la paroi du bord d'attaque 10a. De cette manière, la cavité 40 coopère avec la cavité 30 pour assurer un refroidissement efficace de la partie la plus exposée du bord d'attaque 10a. Dans l'exemple illustré, cinq rangées de trous 43 sont prévues.30 Les trous des rangées ont des orientations différentes allant d'une direction inclinée vers l'extrados 10e à une direction inclinée vers l'intrados lOi. De la sorte, une partie du flux d'air sortant est dirigée vers l'extrados et l'autre partie vers l'intrados. Les trous 44 sont35 répartis sur toute la hauteur de l'aube en plusieurs ran- gées radiales adjacentes formées dans la paroi d'intrados au voisinage du raccordement de la paroi principale 11. Lee trous 44 sont orientés vers l'aval, de sorte que l'air s'échappant de ces trous forme un film de refroidissement protégeant la moitié aval de l'intrados. On notera que les cloisons 11, 12 présentent des perfora- tions 13, 14 aux emplacements des organes de maintien des noyaux de fonderie utilisés lors de la coulée de l'aube. Ces perforations 13 et 14 ont en outre une fonction très importante à remplir: elles annulent les effets néfastes d'une mauvaise circulation du débit de refroidissement qui existerait inévitablement dans la cavité 20 au droit15 des orifices 24 en raison de leur inclinaison. Elles per- mettent une meilleure alimentation des orifices 24 situés le plus en amont du profil. Bien entendu, diverses modifications ou adjonctions pour- ront être apportées au mode de réalisation décrit ci-avant d'une aube de distributeur conforme à l'invention sans pour cela sortir du cadre de protection défini par les revendications annexées. l 2725474 REVENDICATIONS }. Aube de distributeur de turbine refroidie comprenant plusieurs cavités séparées les unes des autres par des cloisons internes, alimentées par un fluide de refroidis- sement et munies de moyens favorisant les échanges ther- miques, et des trous faisant communiquer les cavités avec l'extérieur pour permettre la sortie du fluide de refroi- dissement et la formation de films de protection sur des10 surfaces extérieures de l'aube, caractérisée en ce que: - le volume intérieur de l'aw'e (10) est partagé en au moins trois cavités: une cavité aval (20) et deux cavités amont (30, 40), séparées les unes des autres par deux cloisons radiales constituées par une cloi- son principale (11) orientée sensiblement suivant la corde de l'aube entre le bord d'attaque (10a) et l'in- trados (10i), et une seconde cloison (12) orientée en direction sensiblement transversale entre la cloison principale (11) et l'extrados (10e), - la cavité aval (20) est au moins partiellement remplie par un corps poreux (21) en contact au moins avec la face interne de l'extrados, la paroi arrière de la cloison transversale et la cloison principale, ce corps poreux étant parcouru de l'arrière vers l'avant par le fluide de refroidissement lequel s'échappe ensuite au moins en partie à travers des trous (24) formés dans la paroi d'extrados pour former un film de refroidis- sement à l'extérieur de celle-ci, et - les parois internes des cloisons amont (30, 40) présen- tent des parties saillantes (31, 32, 41, 42) formant ailettes et/ou perturbateurs d'écoulement, et communi- quent avec l'extérieur au moins en partie à travers des 12 2725474 trous (33, 43, 44) formés dans les parois de l'aube bordant ces cavités. 2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi de la cloison principale (11) tournée vers l'in- trados (10i) porte des ailettes longitudinales (42). 3. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la paroi avant de la cloison trans- versale (12) porte des ailettes (32). 4. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la cloison transversale (12) se raccorde à la paroi interne de l'extrados (10e) sensible-15 ment au quart amont de celui-ci. 5. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la cloison principale (11) se raccorde à la paroi interne de l'intrados (10i) dans la20 partie centrale de celui-ci. 6. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le bloc poreux (21) est constitué par un ensemble de copeaux métalliques liés entre eux et25 aux parois de la cavité (20) avec lesquelles il est en contact, par brasage- diffusion. 7. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le bloc poreux (21) occupe une partie de la cavité (20) du côté amont de celle-ci, lais- sant libre un passage radial (22) du côté du bord de fuite (10f) de l'aube, et en ce que des trous (23) sont formés dans la paroi d'intrados (10i) et font communiquer ledit passage (22) avec l'extérieur pour permettre la formation 13 2725474 d'un film de refroidissement par du fluide s'échappant dudit passage (22) A travers ces trous (23). 8. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que des trous (43) sont formés dans la paroi de l'aube dans la région du bord d'attaque (10a) et font communiquer l'une (40) des cavités amont avec l'ex- térieur. 9. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 A 8, caractérisée en ce que les cavités amont (30, 40) commu- niquent avec l'extérieur au moins A travers respectivement une série de trous (33) formés dans la paroi d'extrados et une série de trous (44) formés dans la paroi d'in- trados, ces trous étant orientés de manière A former des films de refroidissement pour l'extrados et l'intrados. 10. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les cloisons (11, 12) présentent des perforations (13, 14) faisant communiquer les cavit6s (20, 30, 40) entre elles. 11. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisée en ce que les sens d'écoulement du fluide de refroidissement dans les cavités amont sont inverses l'un de l'autre.