Brevet FR2758587A1 — publié le 19980724

L'invention concerne le dispositif de refroidissement des aubes de turbines équipant les turbomachines d'aviation. Les turbomachines modernes d'aviation sont équipées, pour la plupart, de compresseurs à haut, voire très haut taux de compression qui peut atteindre une valeur de 30. En outre, la température à l'entrée des turbines est très élevée et la température des gaz au niveau des aubes mobiles du premier disque de turbine peut atteindre 1577il dans le moteur M88-2. Ce fonctionnement à haute température permet un gain de la machine en consommation spécifique. Mais la température des gaz au niveau des aubes du premier disque de turbine est supérieure à la température de fusion du matériau composant les aubes. Il est donc indispensable de les refroidir afin d'assurer leur protection. D'autre part, la vitesse de rotation élevée de la turbine induit dans les aubes et les attaches des aubes dans les disques, des efforts centrifuges très importants. Les aubes sont donc soumises à des contraintes mécaniques de très grande intensité. Les courbes de la contrainte de traction jusqu'à rupture du matériau utilisé dans les aubes, en fonction de la température, montrent que la valeur de cette contrainte est huit fois plus faible quand la température s'élève de 6000C à 1100il. Comme le prévoit la loi de Hooke, le sens d'évolution du module d'élasticité en fonction de la température est le même que pour la contrainte de traction. Le module d'élasticité diminue fortement lors d'une augmentation de température. Le haut niveau thermique exigé pour les gains en consommation spécifique, et les fortes contraintes mécaniques qui en résultent sont difficilement conciliables. Pour maintenir le fonctionnement à haute température et l'intégrité des aubes de la turbine, il est donc nécessaire d'optimiser le refroidissement des aubes et/ou améliorer les caractéristiques des matériaux des aubes. Ce refroidissement est assuré par de l'air plus "froid" (environ 527in pour le M88-2) qui est prélevé au niveau du compresseur haut pression et qui est dirigé ensuite vers la turbine afin de circuler dans les aubes et les refroidir. Dans le cas d'un échange de chaleur par convection forcée, l'air froid circule à grande vitesse dans des canaux implantés le long du profil extérieur de l'aube. Ces canaux sont le plus souvent cylindriques. Ces canaux cylindriques sont plus efficaces que des cavités, car leur faible section entraîne une grande vitesse de circulation de l'air froid et favorise donc les échanges thermiques. Cette disposition des circuits de refroidissement, utilisant des canaux cylindriques, n'est cependant pas assez performante, car bien que ces canaux sont disposés le long du profil avec une distance minimale entre eux, les zones du profil disposées entre deux canaux adjacents et qui sont les zones les plus éloignées des canaux, vont demeurer trop chaudes. Le but de la présente invention est d'éviter la surchauffe de ces zones en améliorant le refroidissement des aubes. L'invention concerne donc un dispositif de refroidissement d'une aube de turbine, ce dispositif comportant une pluralité de canaux de refroidissement parallèles ménagés dans la paroi de l'aube au voisinage du profil externe, ces canaux étant destinés à la circulation d'un fluide de refroidissement. Ce dispositif est caractérisé par le fait que les canaux présentent dans un plan transversal une section ayant la forme d'un triangle, un côté de ce triangle étant adjacent au profil et sensiblement parallèle à ce dernier. Avantageusement, tous ces canaux sont semblables et équidistants du profil de l'aube. Les canaux de refroidissement peuvent en outre comporter des picots ou des perturbateurs d'écoulement. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé dans lequel la figure 1 est une représentation de la contrainte de traction jusqu'à rupture en fonction de la température du matériau constitutif d'une aube de turbine; la figure 2 est la courbe représentative de la valeur du module d'élasticité du matériau constitutif d'une aube en fonction de la température; la figure 3 est une coupe transversale de la paroi d'une aube actuelle au voisinage du profil externe, dans la paroi de laquelle sont ménagés des canaux cylindriques selon l'art antérieur ; et la figure 4 est une coupe transversale semblable à la coupe de la figure 3, d'une aube dans laquelle sont ménagés des canaux de refroidissement conformes à l'invention. La figure 1 montre la courbe de la contrainte de traction jusqu'à rupture, en fonction de la température, d'un matériau constitutif d'une aube de turbine. On constate que la valeur de cette contrainte est voisine de 750MPa jusqu'à la température de 750in et décroît rapidement audelà de cette température pour atteindre une valeur inférieure à 100 MPa à 11OO.C. La figure 2 montre la variation du module d'élasticité E en fonction de la température de l'aube. Le sens d'évolution du module d'élasticité E est le même que celui de la contrainte de traction. Le module d'élasticité E décroît avec la température. Les figures 3 et 4 montrent en coupe une portion de la paroi périphérique 3 d'une aube de turbine d'une turbomachine au voisinage du profil externe 4 le long duquel circulent des gaz chauds dans le sens de la flèche G. Ainsi que cela est représenté sur la figure 3, plusieurs canaux cylindriques 5 parallèles entre eux et sensiblement équidistants sont actuellement ménagés dans la paroi 3. Ces canaux 5 sont destinés à la circulation, à grande vitesse, d'un fluide de refroidissement, par exemple de l'air comprimé soutiré à la sortie du compresseur Haute Pression de la turbomachine. Ces canaux 5 sont écartés du profil externe 4 d'une distance d et sont écartés entre eux d'une distance e. Cette distance e est légèrement supérieure au rayon r de chaque canal 5, tandis que la distance d est inférieure au rayon r. Les points 6 du profil externe 4 situés à égale distance de deux canaux cylindriques 5 sont relativement éloignés des canaux 5, et les zones de la paroi 3 voisine de ces points vont demeurer trop chaudes. L'invention propose de remplacer les canaux cylindriques 5 actuels par des canaux 10 de section triangulaire isocèle dont l'un des côtés ou base 11 est parallèle au profil externe 4 et disposé, comme dans l'art antérieur, à la distance d du profil externe 4. Deux canaux 10 successifs sont également distants d'une valeur e au niveau de leurs bases voisines du profil externe 4. On constate que grâce à cette disposition des canaux 10, les points 6 du profil externe 4 équidistants de deux canaux consécutifs 10 sont plus rapprochés des canaux triangulaires 10 que des canaux cylindriques 6 de l'art antérieur. Sur la figure 4 on a représenté en pointillé la section des canaux cylindriques 6 de l'art antérieur. Cette configuration permet d'abaisser la température du matériau constitutif de l'aube au point le plus chaud de 2% environ, et de multiplier la durée de vie de l'aube par un facteur compris entre 2 et 4. Afin d'améliorer encore les échanges de chaleur dans la paroi 3 de l'aube au voisinage de son profil externe 4, on peut disposer dans les canaux triangulaires 10 des picots ou des perturbateurs d'écoulement connus en soi. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement d'une aube de turbine, ce dispositif comportant une pluralité de canaux de refroidissement (10) parallèles ménagés dans la paroi (3) de l'aube au voisinage du profil externe (4), ces canaux (10) étant destinés à la circulation d'un fluide de refroidissement, caractérisé par le fait que les canaux (10) présentent, dans un plan transversal, une section ayant la forme d'un triangle, un côté (11) de ce triangle étant adjacent au profil externe (4) et sensiblement parallèle à ce dernier. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les canaux (10) sont équidistants du profil de l'aube (4). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les canaux de refroidissement comportent des picots ou des perturbateurs d'écoulement.