Brevet FR2798421A1 — publié le 20010316

Pales refroidies pour moteurs à turbine gaz. L'objet de la demande se réfère à la matière des demandes de brevets US N F 6043 et F 6057 déposées à l'a même date et intitulées respectivement "pales refroidies pour moteurs à turbine à gaz" et "commande de jeu pour moteurs à turbine à gaz". L'invention se rapporte aux moteurs à turbine à gaz et particulièrement aux pales de rotor refroidies de façon interne. Ainsi qu'il est bien connu, l'industrie des moteurs d'avions développe un effort significatif pour améliorer les performances des moteurs à turbine à gaz et pour réduire simultanément leur poids. A l'évidence, le but final est d'atteindre le rapport optimal possible de poussée sur le poids. Naturellement, l'un des premiers domaines de concentration porte sur la "section chaude" moteur, puisqu'il est bien connu que le rapport de poussée sur poids du moteur est amélioré de façon significative en augmentant la température des gaz de la turbine. Cependant, la température des gaz la turbine t limitée par les contraintes de température du métal des composants du moteur. Un effort significatif a jusqu'à maintenant été fait dans l'obtention de plus hautes températures de fonctionnement des turbines adaptant un progrès technologique significatif dans le refroidissement interne des pales de turbines. Des exemples de quelques uns des nombreux résultats obtenus dans ce domaine sont illustrés dans les brevets américains N 3 533 711 délivré au nom de D.M. Kirchon le 13 Octobre 1966, N 4 073 599 délivré au nom de Allen et al le 14 Février 1978 et N 4 180 373 délivré au nom de Moore et al le 25 Décembre 1979, ce dernier brevet étant attribué au même cessionnaire que la présente demande de brevet. L'objet de la demande de brevet américaine N 812 108 déposée le 23 Décembre 1985 par L. R. Anderson et T. A. Auxier et cédée au même cessionnaire que cette demande de brevet est à considérer. Dans cette demande de brevet, la pale est formée avec un passage radial interne qui alimente les trous de refroidissement du film fluide externe La paroi interne qui définit le passage radial comprend une pluralité de trous espacés radialement communiquent avec l'air de refroidissement à l'intérieur de la pale. Le passage radial est fermé au fond de telle sorte l'air de refroidissement dans le passage est statique plutôt que dynamique. Ainsi, il n'y a pas d'écoulement dans le passage s'étendant de la base à la pointe la pale, mais plutôt l'écoulement est effectué à travers le trou dans la paroi interne, dans l'espace latéral pourvu par le passage radial et ensuite hors du trou adjacent de refroidissement du film. Dans la pale selon la présente invention, les passages radiaux sont ouverts à la pression d'alimentation à la section de base de sorte qu'il y a un écoulement constant dans le ou les passage(s) de la base à la pointe de la pale. Une partie de l'air de refroidissement déchargée à travers les trous de refroidissement du film, tandis qu'une autre partie est déchargée à travers l'ouverture(s) formée à la pointe. C'est un passage d'écoulement dynamique. Lorsque l'air de refroidissement se déplace radialement vers la' pointe, une partie décharge à travers les trous de refroidissement du film et est rechargée par l'air admis à travers les trous de rechargement en air de refroidissement formés dans la paroi interne définissant le passage. La marge d'écoulement de retour désirée et d'écoulement radial peut être prédéterminée par un dimensionnement adéquat des trous à la pointe de la pale et en utilisant des obstacles à l'écoulement, tels que des nervures de déviation. De plus, pour obtenir un refroidissement aux niveaux réduits d'alimentation en pression, l' s'écoulant dans le passage radial est utilisé pour entrer en collision avec la surface arrière du profil de la pale ceci à des fins de refroidissement et l'écoulement de sortie à l'extrémité du passage est utilisé pour refroidir la partie de pointe de la pale. La pale selon l'invention assure de façon inhérente la séparation des saletés puisque l'air tourne de 90 et que l'air dans les passages est centrifugé par le mouvement de rotation de la pale. Un et de l'invention est de proposer une pale de turbine perfectionnée pour un moteur à turbine à gaz. Un aspect de l'invention est de fournir des passages radiaux acents au profil d'une pale de turbine qui est ouvert à la pression d'alimentation à la base fait écouler de l'air de refroidissement à une ouverture de la pointe de la pale. L'air de refroidissement dans le passage radial alimente les trous de refroidissement du film est rechargé en air additionnel de refroidissement par les trous de rechargement espacés radialement dans la paroi interne définissant le passage radial. 'effet de refroidissement est obtenu avec moins d'air de refroidissement et à des niveaux de press plus bas. Un aspect de l'invention est de prédéterminer la pression de retour dans le passage radial en dimensionnant de façon adéquate le trou à la pointe du passage radial et en incorporant des nervures de déviation Un refroidissement amélioré du film est obtenu en maintenant une marge convenable d'écoulement de retour d'un bout à l'autre de l'extension radiale du passage radial pour minimiser l'écoulement à travers tous les trous de refroidissement du film communiquant avec cette extension radiale. Un autre aspect de l'invention est de fournir une pale perfectionnée de turbine refroidie de façon interne avec des capacités de tolérance aux saletés. L'invention est illustrée ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation et en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une pale de turbine à écoulement axial selon l'invention; La figure 2 est une vue en coupe selon la ligne 2-2 de la figure 1; La figure 3 est une vue en coupe partielle selon la ligne 3 de la figure 1; figure 4 est une vue en coupe partielle selon la ligne -4 de la figure 1 montrant des nervures déviation obliques utilisées dans l'invention. Bien qu'un mode préféré de réalisation décrit pale de turbine typique pour un moteur de turbine à gaz du type utilisé sur le moteur F100 fabriqué par Pratt & Whitney Aircraft, une division de United Technologies Corporation, le cessionnaire de cette demande de brevet on notera que l'invention est applicable à d'autres types de pales de turbine refroidies par air. a utilisé ci-dessous le terme "marge d'écoulement en retour" pour désigner le rapport de pression mesuré a travers n'importe lequel des trous de décharge de l'air de refroidissement sur la surface du profil de la pale. On a seulement représenté ci-dessous des parties de la pale pour clarté de la représentation. I1 est à noter que les hautes techniques développées pour augmenter le transfert de chaleur tels que supports, nervures déviation et similaires sont omises. Comme représenté, la pale désignée de façon générale par la référence numérique 10 est fabriquée à partir n'importe lequel des alliages connus à hautes températures et est formée d'une enveloppe définissant un bord de front 12, un bord de tramée 14, une pointe 16, et une base 18. La pale est configurée avec une surface de profil ayant un côté d'aspiration 20 (à basse pression) et un côté de pression 22. Une pluralité de trous est formée dans la surface du profil pour assurer le refroidissement désiré De façon idéale, l'air de refroidissement s'écoule sur bonne partie de la section du profil depuis ces trous pour former un film ou pellicule qui agit comme une barrière entre la surface du profil et les gaz chauds dans le cheminement des gaz du moteur. La vue en coupe de la figure 2, montrant les passages internes de la pale à travers un plan passant par le centre (coupe de mi-corde), représente de façon générale la technique utilisée pour le refroidissement d'une pale comportant plusieurs passages de refroidissement, ces passages étant définis par les nervures 26 qui servent à faire écouler l'air en serpentins de manière à obtenir un refroidissement de convection optimal. L'invention a été adaptée pour être utilisée avec ce type de technique de refroidissement mais n'y est pas limitée. Le concept inventif est illustré dans les figures 1 et 3, montrent les canaux d'alimentation en air de refroidissement 30, formés à des endroits désirés adjacents aux surfaces du profil au côté d'aspiration et au côté pression. Pour la clarté de la représentation, seul un canal d'air de refroidissement est représenté et c'est celui représenté sur la coupe 3-3 de la figure 3. Selon l'invention, le canal d'alimentation en de refroidissement 30 est formé de façon générale par un passage cylindrique s'étendant radialement, adjacent à la surface du profil et il comprend une pluralité de trous 32 de refroidissement du film espacés radialement, formés dans le profil. L'air de refroidissement, depuis une ouverture d'entrée 34 formée à la base de la pale, s'écoule radialement vers l'orifice de décharge 36 formé à la pointe de la pale, tandis qu'une partie de l'air de refroidissement s'écoule à travers les trous 32 de refroidissement du film. Ainsi, l'écoulement dans le canal d'alimentation 30 est dynamique plutôt que statique et comme il sera expliqué ci-dessous, le canal d'alimentation 30 est alimenté de façon continue avec de l'air de refroidissement. Le diamètre de l'orifice 36 de décharge est dimensionné de manière à obtenir une marge désirée d'écoulement de retour et un écoulement radial. Ceci sert à fournir le rapport de pression désiré à travers chacun des trous 32 de refroidissement du film de façon à optimiser le rendement de refroidissement du film de chacun des trous s'étendant d'un. bout à l'autre de l'étendue radiale. Ceci sert aussi à assurer un écoulement suffisant à une pression désirée pour refroidir la pointe de la pale. Comme il serait apparent à l'homme de 'art, le canal alimentation 30 pourrait comprendre d'autres moyens de transfert de chaleur, tels que des nervures de déviation pour améliorer le refroidissement de la pale ce qui affecterait aussi la chute de pression dans le passage et influencerait la marge d'écoulement de retour et l'écoulement radial. Comme mentionné au-dessus, le canal d'alimentation 30 est alimenté avec de l'air de refroidissement par les trous 38 rechargement, qui sont en communication avec l'air s'écoulant dans les passages en serpentins 40 délimités par les nervures 26. Ainsi, le canal d'alimentation 30 reçoit de l'air de refroidissement depuis à fois la source d'air de refroidissement admis à travers l'entrée 34 à la base de la pale (qui est typiquement un air de décharge de compresseur) et l' ' de refroidissement d'alimentation admis à travers les trous 38 de rechargement prolongeant l'extension radiale d'alimentation 30. Etant donné que l' ' de refroidissement dans le canal d'alimentation 30 s épuise tandis que l'air progresse vers la pointe, l'air de refroidissement perdu est rechargé par l'air admis à travers les trous 38. Ce concept permet de contrôler le rapport pression à travers tous les trous de refroidissement du film à travers la surface du profil s'étendant depuis la base jusqu'au sommet. A partir d'ici, étant donne que l'écoulement est minimisé en raison de la marge d'écoulement de retour qui s'équilibre radialement, la couverture des trous du film sera constante d'un bout à l'autre sa longueur. Comme mentionné ci-dessus, la chute de pression dans le canal d'alimentation peut en outre être modifiée en ajoutant des nervures de déviation qui tendent également à augmenter le rendement de transfert de chaleur. On se référera à la figure 4 qui montre une partie d'un canal d'alimentation 30 modifié pour inclure des nervures de déviation obliques 70. Dans les réalisations connues jusqu'à maintenant, il était nécessaire d'introduire l'air de refroidissement à l'entrée à une pression notablement plus élevée afin de garantir grande pression à l'approche de la pointe de la pale. Cependant, en raison de leur nature, en particulier parce que l'air de refroidissement est transféré à partir d'une structure statique aux pales rotatives, ceci a posé un problème de fuite ou un difficile problème d'étanchéité. Ainsi, il fallait typiquement faire un compromis entre une perte tolérable et une pression d'air de refroidissement désirée. Selon l'invention et puisque le canal d'alimentation en air de refroidissement est rechargé avec de l'air de refroidissement, la pression d'entrée peut être égale à une valeur notablement réduite évitant le problème de fuite et augmentant le rendement du moteur. Comme il est apparent sur ce qui précède, trous de rechargement 38 dirigent l'air de refroidissement dans les passages en serpentins pour entrer en collision avec la surface arrière du profil. Ceci n'assure pas seulement un refroidissement de la collision, il sert également à séparer saleté, étant donné que l'air tourne à quelques extensions pour migrer à travers les trous 32 de refroidissement du film. Les particules de saleté tendront être capturées par le flux dynamique de l'air de refroidissement dans le canal d'alimentation 30 où il sera alors porté vers le sommet de la pale et déchargé dans le chemin du gaz par l'orifice de décharge Etant donné que pale tourne, l'air comprenant les particules de saleté dans le canal d'alimentation 30, est centrifugé vers l'orifice de décharge 36. I1 est à noter que dans le cadre de invention, les trous 38 peuvent être orientés vers l'intérieur, vers la base de la pale, assurant un angle de séparation supérieur à 90 et augmentant ainsi la séparation des saletés. REVENDICATIONS 1.- Pale de turbine pour un moteur à turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle comporte des passages internes pour l'écoulement d'air de refroidissement à l'intérieur, la pale comprenant surface de profil définissant une section de base ( , une section de bord de front (12), une section de bord de traînée (14), une section de mi- corde et une section de pointe (16), une pluralité de passages internes radiaux définis par des moyens de parois internes (26) formés adjacents à la section de bord de traînée (14) et à la section de bord de front (12), s'étendant depuis la section de base (18) à la section de pointe (16), définissant un canal d'alimentation (30), une pluralité de trous de refroidissement du film (32) espacés radialement dans ladite surface du profil, communiquant avec canal d'alimentation (30) pour permettre l'écoulement d'un film d'air de refroidissement adjacent à ladite surface du profil, une pluralité de trous de rechargement (38), espacés radialement dans lesdits moyens de parois, pour permettre l'écoulement de l'air de refroidissement depuis ladite section de mi- envergure, audit canal d'alimentation de manière à recharger en air de refroidissement ledit canal d'alimentation qui pourrait sans cela approvisionner en air de refroidissement lesdits trous de refroidissement du film, et des moyens pour mettre en communication l'air de refroidissement depuis la section de base (18) à décharger à ladite section de pointe (16) à partir d'un orifice (36) dans ladite surface du profil, et une source d'air de refroidissement pour alimenter en air de refroidissement ladite section de base 2.- Pale de turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce ledit orifice (36) à la section de pointe est dimensionné de façon à minimiser l'écoulement d'air de refroidissement dans ladite chambre d'alimentation afin d'assurer une couverture essentiellement uniforme de tous les trous (32) du film qui sont alimentés ledit canal d'alimentation (30), équilibrage de la marge d'écoulement de retour pour chaque position radiale dans ledit canal d'alimentation. 3.- Pale de turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit canal d'alimentation (30) fournit des moyens pour séparer la saleté de l'air de refroidissement et pour enlever ladite saleté séparée par orifice de décharge (36). 4.- Pale de turbine selon la revendication i, caractérisée en ce qu'elle comprend des nervures de déviation (70) dans ledit canal d'alimentation (30) 5.- Pale de turbine selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites nervures de déviation (70) sont en oblique relativement à la direction dudit canal d'alimentation (30).