Brevet FR2931190A1 — publié le 20091120

B09-1193FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Ailette de turbine Invention de : BRITTINGHAM Robert A. Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 22 avril 2008 sous le n° 12/107. 249 Ailette de turbine La présente invention est relative à des ailettes de turbine ayant une pale et un talon en bout porté par la pale. Plus particulièrement, la présente invention est relative à des profils de bords pour talon en bout. Les ailettes de turbines comprennent ordinairement une pale, une plate-forme, un pied et une queue d'aronde. En fonctionnement, la queue d'aronde est fixée dans une rainure complémentaire présente dans une roue de turbine. Sur de nombreuses pales, des talons en bout solidaires sont utilisés à l'extrémité extérieure radiale de la pale pour créer une surface extérieure du passage par lequel doivent passer les gaz chauds. Avoir un talon en bout qui fait partie de la pale améliore le rendement du moteur à turbine. En outre, les talons en bout les plus grands améliorent généralement les performances des moteurs plus que les plus petits. De la sorte, à un certain égard, il est souhaitable de faire en sorte que toute la surface extérieure radiale de la pale soit couverte par un talon en bout relativement grand. Pendant le fonctionnement, les talons en bout sont soumis à de fortes contraintes en raison des forces mécaniques qui leur sont appliquées du fait de la vitesse de rotation du moteur à turbine. L'environnement à haute température de la turbine, associé au niveau élevé des contraintes, provoque une déformation accélérée de ces pièces, ce qui abrège leur durée de vie. De la sorte, il est souhaitable que le talon en bout reste relativement petit et léger pour que soient réduites les contraintes en fonctionnement. Une pratique courante consiste à éliminer certaines parties du talon en bout de façon que son poids et les contraintes en fonctionnement qui en résultent soient réduits, tout en maintenant également intactes de grandes parties du profil du talon en bout au profit des performances du moteur. Lors de la conception de talons en bout, trouver le bon compromis entre ces objectifs contradictoires û à savoir la durée de vie des pièces et le rendement du moteur û constitue une gageure. De la sorte, on a toujours besoin de profils de bords de talons en bout qui répondent efficacement à ces deux objectifs. La présente demande décrit donc une ailette de turbine qui peut comprendre une pale à talon en bout, le talon en bout ayant un bord, le bord ayant un profil sensiblement conforme à des valeurs de X et Y d'un système de coordonnées cartésiennes, indiquées aux points 1 à 14 du Tableau 1, où X et Y représentent des distances dont la valeur peut être changée de manière proportionnelle par un multiplicateur commun et qui, une fois changées et reliées, définissent le profil du bord du talon en bout. Dans certaines formes de réalisation, les valeurs de X et Y sur le Tableau 1 sont des distances en pouces (25,4 mm) qui, lorsqu'elles sont reliées par des arcs lisses continus, définissent le profil du bord du talon en bout. Le profil du bord peut se situer dans des limites de +/-1,625 mm (0,064 pouce) dans une direction perpendiculaire à tout emplacement le long du bord. Le bord peut être un bord d'attaque du talon en bout de l'ailette de turbine. Dans certaines formes de réalisation, l'ailette de turbine peut être conçue pour servir d'ailette de turbine de deuxième étage dans un moteur à turbine à gaz. La présente demande décrit en outre une ailette de turbine qui peut comprendre une pale ayant un talon en bout, le talon en bout ayant un bord. Le bord peut avoir un profil sensiblement conforme à des valeurs de X, Y et Z d'un système de coordonnées cartésiennes, indiquées aux points 1 à 14 du Tableau 1. X, Y et Z peuvent être des distances en pouces qui, lorsque les points sont reliés par des arcs lisses continus, définissent le profil du bord du talon en bout. Le profil du bord peut se situer dans des limites de +/- 1,625 mm (0,064 pouce) dans une direction perpendiculaire à tout emplacement le long du bord. Les valeurs de X, Y et Z indiquées sur le Tableau 1 peuvent être changées dans la même mesure pour créer un profil agrandi ou réduit du bord du talon en bout. Dans certaines formes de réalisation, le bord peut être un bord d'attaque du talon en bout de l'ailette de turbine. L'ailette de turbine peut être conçue pour servir d'ailette de turbine de deuxième étage dans un moteur à turbine à gaz. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un trajet de gaz chauds passant par de multiples étages d'une turbine à gaz et illustre un exemple de turbine dans laquelle peut fonctionner une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un exemple d'ailette de turbine selon la technique antérieure sur laquelle peut fonctionner une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 3 est une autre vue en perspective de l'ailette de turbine de la figure 2 ; et - la figure 4 est une vue de dessus d'un talon en bout qui comporte, sur un bord, un profil selon un exemple de forme de réalisation de la présente invention. Considérant maintenant les figures, la figure 1 représente un trajet de gaz chauds, désigné globalement par le repère 10, d'une turbine à gaz 12 qui comprend une pluralité d'étages de turbine. Trois étages sont illustrés. Un premier étage peut comprendre une pluralité d'aubes fixes 14 à espacement circonférentiel et des ailettes de turbine ou ailettes 16. Les aubes 14 du premier étage sont globalement espacées les unes des autres dans la direction circonférentielle et sont fixées autour de l'axe du rotor (non représenté). Les ailettes 16 du premier étage peuvent être montées sur une roue 17 de turbine pour tourner autour du rotor lorsque les gaz chauds se détendent sur le trajet 10 de gaz chauds. Un deuxième étage de la turbine 12 est également représenté. Le deuxième étage peut de même comprendre une pluralité d'aubes fixes 18 à espacement circonférentiel et une pluralité d'ailettes 20 à espacement circonférentiel montées sur une roue 17 de turbine. On notera que les aubes et les ailettes se trouvent sur le trajet 10 de gaz chauds de la turbine 12, le sens d'écoulement des gaz chauds sur le trajet 10 de gaz chauds étant indiqué par la flèche 26. Comme le comprendra un spécialiste ordinaire de la technique, une ailette de turbine selon la technique antérieure, désignée globalement par le repère 28 sur les figures 2 et 3, comprend ordinairement une plate-forme 30, un pied 32 et une queue d'aronde 34, qui sert à monter l'ailette sur une roue (non représentée) de turbine. L'ailette 28 de turbine comprend aussi une pale d'ailette ou pale 26 qui se trouve globalement au milieu le long de l'ailette 28. Le long de la pale 36, l'ailette 28 a globalement, en coupe, une forme de pale. En raison de cette forme, pendant le fonctionnement, le flux de gaz chauds fait tourner l'étage d'ailettes autour du rotor de façon que l'énergie des gaz chauds qui se détendent soit convertie en énergie mécanique du rotor rotatif. Comme illustré en outre sur les figures 2 et 3, l'ailette 28 de turbine comprend aussi un talon 38 en bout selon la technique antérieure. Le talon 38 en bout, qui fait globalement partie intégrante de l'ailette 28 à l'extrémité radiale extérieure de la pale 36, présente une surface orientée sensiblement perpendiculairement à la surface de la pale de façon à coiffer ou couvrir le bout de la pale. Pendant le fonctionnement, le talon 38 en bout vient toucher, en des extrémités opposées, les deux talons en bout adjacents des ailettes adjacentes, si bien qu'il se forme, à l'emplacement de l'étage d'ailettes, une couronne ou une virole annulaire approximative enveloppant le trajet de gaz chauds. Cette couronne annulaire retient les gaz de la veine chaude se détendant sur la pale (c'est-à-dire qu'elle ne permet pas aux gaz de glisser sur l'extrémité de l'ailette à pale) de façon qu'un plus grand pourcentage d'énergie extraite du fluide de travail puisse être converti en énergie mécanique par les ailettes de la turbine. De la sorte, les talons en bout améliorent globalement les performances des moteurs à turbine à gaz. Normalement, en ce qui concerne les performances d'un moteur, il est souhaitable d'avoir des talons en bout relativement grands afin que chacun couvre convenablement toute l'extrémité radiale extérieure de la pale. Comme le comprendra un spécialiste ordinaire de la technique, pendant le fonctionnement, les talons en bout sont soumis à de fortes contraintes en raison de leur charge suspendue et de la vitesse de rotation du moteur à turbine. Ces contraintes, associées à l'environnement à haute température de la turbine, provoquent une déformation accélérée des ailettes de turbine par fluage, ce qui abrège évidemment la durée de vie de ces pièces. De ce fait, en ce qui concerne l'allongement de la durée de vie des ailettes de turbines, il est souhaitable que les talons en bout restent relativement petits et légers. Compte tenu de ces objectifs contradictoires, à savoir la durée de vie des pièces contre les performances des moteurs, une pratique courante consiste à éliminer certaines parties du talon en bout (ce qu'on appelle souvent le "festonnage du talon en bout") de façon que le poids et la charge suspendue du talon en bout soient réduits, ce qui aboutit à une réduction des contraintes en fonctionnement, tout en maintenant également intactes de grandes parties du talon en bout en faveur des performances du moteur. La figure 4 représente une vue de dessus d'un talon 50 en bout selon un exemple de forme de réalisation de la présente demande. Comme le comprendra un spécialiste ordinaire de la technique, le talon 50 en bout comporte des bords d'attaque et de fuite, respectivement 52 et 54. Ainsi, les bords 52 et 54 se trouvent sur des côtés opposés à orientation axiale du talon 50 en bout sur le trajet des gaz chauds, le bord d'attaque 52 étant globalement orienté vers l'amont et le bord de fuite 54 étant globalement orienté vers l'aval. Sur la figure 4 sont également représentés un certain nombre de points, numérotés de 1 à 14, qui définissent un profil de bord du talon 50 en bout selon un exemple de forme de réalisation de la présente demande, qui est présenté plus en détail ci-après. On notera que la figure 4 représente le profil de bord (c'est-à-dire les points 1 à 14) présent sur le bord d'attaque 52 du talon en bout. I1 s'agit d'un exemple. Un spécialiste ordinaire de la technique comprendra que, dans certaines formes de réalisation, le profil de bord délimité par les points 1 à 14 peut se trouver à la fois sur le bord d'attaque 52 et le bord de fuite 54 du talon 50 en bout ou seulement sur le bord de fuite 54. En outre, l'exemple de forme de réalisation de la figure 4 est principalement présenté sous l'angle de sa fonction sur les talons en bout dans un moteur à turbine à gaz. Un spécialiste ordinaire de la technique comprendra que d'autres fonctions sont possibles, notamment l'utilisation de versions adaptées à d'autres dimensions dans des moteurs de turbines à vapeur ou d'aéronefs. Plus particulièrement, bien qu'il ne s'y limite pas, dans certaines formes de réalisation, l'exemple de forme de réalisation de la figure 4 peut servir de talon en bout sur une ailette de deuxième étage dans un moteur à turbine à gaz. En outre, bien qu'il ne s'y limite pas, l'exemple de forme de réalisation de la figure 4 peut servir, dans certaines formes de réalisation, de talon en bout dans un moteur à turbine à gaz 7FA+e construit par The General Electric Company ("GE") de Schenectady, dans l'Etat de New York. Enfin, bien qu'il ne s'y limite pas, dans d'autres formes de réalisation, l'exemple de forme de réalisation de la figure 4 peut servir de talon en bout dans une aube de deuxième étage d'un moteur à turbine à gaz 7FA+e construit par The General Electric Company ("GE") de Schenectady, dans l'Etat de New York. Pour définir la forme du profil de bord de talon en bout selon un exemple de forme de réalisation de la présente demande, un exemple exclusif ou des lieux exclusifs de points dans l'espace peut/peuvent être délimités. Comme indiqué sur le Tableau 1 ci-après et comme illustré sur la figure 4, les lieux qui définissent un profil de bord de talon en bout selon la présente demande peuvent comprendre un ensemble de 14 points à coordonnées X, Y et Z par rapport au système de coordonnées de l'origine. Plus particulièrement, comme le comprendra un spécialiste ordinaire de la technique, le système de coordonnées est établi par rapport à la pale et est entièrement défini par des points A, B et C représentés sur les figures 2 et 3. Les points A et B peuvent tous deux être situés à environ 1006 mm (39,600 pouces) au-dessus de l'axe central du rotor froid. Le point A peut se trouver à l'intersection de la ligne de cambrure moyenne de la pale et de la surface profilée du bord d'attaque. Le point B peut se trouver à l'intersection de la ligne de cambrure moyenne de la pale et de la surface profilée du bord de fuite. Le point C peut être situé à 1266,5 mm (49,862 pouces) au dessus de l'axe central du rotor froid et se trouve à l'intersection de la ligne de cambrure moyenne de la pale et de la surface profilée du bord de fuite. L'origine du système de coordonnées peut se trouver au point A. Les points A et B peuvent définir l'axe positif X. Les points A, B et C peuvent définir le plan positif X-Z. L'axe Y peut ensuite être défini à l'aide de la méthode de la règle de la main droite. Comme évoqué, le système de coordonnées cartésiennes des valeurs sur X, Y et Z indiquées sur le Tableau 1 ci-après peuvent définir le profil du bord d'attaque 52 du talon 50 en bout selon une forme de réalisation de la présente demande. Plus particulièrement, le profil du bord d'attaque 52 peut être défini par les points cités de façon que le profil du bord d'attaque 52 puisse être construit en définissant des arcs continus sensiblement lisses passant par les points cités. Les valeurs de coordonnées pour les coordonnées X, Y et Z sont indiquées en pouces sur le Tableau 1, bien que d'autres unités de dimensions puissent être utilisées si les valeurs sont convenablement converties. En outre, comme le comprendra un spécialiste ordinaire de la technique, les valeurs de coordonnées du Tableau 1 sont générées et indiquées jusqu'à trois décimales pour déterminer le profil du bord d'attaque 52 du talon 50 en bout. Ces points représentent la forme du bord à une température nominale froide ou ambiante. Comme le talon en bout s'échauffe pendant le fonctionnement, les charges mécaniques et la température provoquent un changement dans les coordonnées X, Y et 2. De la sorte, les valeurs pour la forme de pale indiquées sur le Tableau 1 représentent des conditions ambiantes, de repos ou d'absence d'échauffement. Par ailleurs, il y a des tolérances de fabrication et de revêtement habituelles dont il faut tenir compte dans le profil réel de la forme de la pale. Par conséquent, on notera que des tolérances habituelles de fabrication +/-, c'est-à-dire des valeurs +/-, dont l'épaisseur de tout revêtement, s'ajoutent aux valeurs de X et Y données sur le Tableau 1 ci-après. De la sorte, une distance de +/- 1,625 mm (0,064 pouce) dans une direction perpendiculaire au bord défini par les points 1 à 14 peut définir l'exemple de profil du bord d'attaque 52 selon la forme de réalisation du Tableau 1. Ainsi, il peut exister à la même température une variation dans la valeur de tolérance (à savoir +/- 1,625 mm, ou +/- 0,064 pouce) entre les points mesurés sur le profil du bord d'attaque 52 à une température nominale basse ou ambiante et la position idéale de ces points indiquée sur le tableau ci-après. Le profil de bord résiste à cette marge de variation sans préjudice pour la fonction mécanique. (De plus, comme le comprendra un spécialiste ordinaire de la technique, une plus grande marge de tolérance peut être applicable quand certains types de modifications sont apportés au talon 50 en bout une fois que la pièce a atteint l'emplacement de la turbine. Une telle modification locale - parfois appelée "meulage local" - peut être faite, par exemple, par un technicien à l'aide d'une meuleuse portative qui peut servir à éliminer par meulage un défaut ou à l'aide de procédés similaires. Compte tenu de ces types de modifications locales, on peut utiliser une valeur de tolérance supplémentaire d'environ +/- 0,508 mm (0,020 pouce). Ainsi, lorsqu'un meulage local ou autre opération de modification locale similaire est effectué, le profil de bord résiste globalement à une marge de tolérance agrandie (à savoir +/- 2,13 mm (+/-0,084 pouce) sans préjudice pour la fonction mécanique). Voici les coordonnées du Tableau 1 N° de point X (pouces) Y (pouces) Z (pouces) 1 -0,288 3,315 10,883 2 -0,179 3,084 10,891 3 -0,069 2,852 10,898 4 -0,022 2,665 10,904 5 -0,050 2,474 10,911 6 -0,075 2,251 10,918 7 0,039 1,987 10,926 8 0,249 1,840 10,931 9 0,413 1,739 10,934 10 0,527 1,584 10,939 11 0,656 1,311 10,948 12 0,785 1,037 10,957 13 0,913 0,764 10,966 14 1,042 0,491 10,974 Un spécialiste ordinaire de la technique comprendra que le profil de bord de talon en bout présenté sur le Table 1 ci-dessus peut être agrandi ou réduit géométriquement pour servir dans d'autres étages de turbines ou types de turbines, dont une utilisation dans une turbine à vapeur ou un moteur d'aéronef. Par conséquent, les valeurs de coordonnées indiquées sur le Tableau 1 peuvent être agrandies ou réduites de façon que la forme de la pale reste proportionnellement inchangée. La version à valeurs modifiées des coordonnées du Tableau 1 serait représentée par des valeurs de coordonnées X, Y et Z du Tableau 1, avec les coordonnées X, Y et Z multipliées ou divisées par un nombre constant. En outre, un spécialiste ordinaire de la technique comprendra que bien que les coordonnées Z soient fournies, comme l'indiquent les valeurs du Tableau 1, le profil de bord du talon en bout est sensiblement constant dans la direction Z. Cela étant, on comprendra en outre que le profil de bord revendiqué peut, dans certaines formes de réalisation, être défini en tant que forme en deux dimensions définie par les coordonnées X et Y du Tableau 1 à une valeur de coordonnées Z sensiblement constante. Ainsi, le bord du talon en bout est situé à une distance radiale sensiblement constante du rotor. Comme décrit plus haut, en ce qui concerne les performances des moteurs, il est généralement souhaitable d'avoir des talons en bout relativement grands, tels qu'il couvrent ou enveloppent toute l'extrémité radiale extérieure de la pale. Cependant, pendant le fonctionnement, cette charge suspendue subit généralement de très fortes contraintes en raison de la vitesse de rotation du moteur à turbine. Ces contraintes, associées à l'environnement à haute température de la turbine, risquent d'abréger la durée de vie des ailettes de turbines. De la sorte, dans le but d'allonger la durée de vie des ailettes de turbines avec des talons en bout solidaires, il est souhaitable que les talons en bout restent relativement petits et légers. La forme de talon en bout selon la présente invention constitue un compromis efficace entre les objectifs contradictoires, si bien que les deux objectifs concernant la durée de vie et les performances des moteurs peuvent être atteints. Ainsi, la forme de talon en bout selon la présente invention donne un profil qui couvre efficacement le bout de la pale tout en maintenant à des niveaux acceptables les contraintes en fonctionnement. De plus, la forme de talon en bout selon la présente demande assure d'autres performances de fonctionnement, dont, par exemple, l'efficacité de la circulation de l'air dans les étages, une amélioration des caractéristiques aéromécaniques, une réduction des contraintes thermiques et une réduction des contraintes mécaniques en comparaison d'autres formes de talons en bout selon la technique antérieure. Comme le comprendra un spécialiste ordinaire de la technique, l'efficacité de la forme de talon en bout selon la présente invention peut être vérifiée par dynamique des fluides informatisée (DFI) ; par analyse de dynamique des fluides traditionnelle ; par des équations d'Euler et de Navier-stokes ; pour des fonctions de transfert, des algorithmes, la fabrication : mise en place manuelle, essais d'écoulement (par exemple dans des souffleries) et modification du talon en bout ; essais in situ ; par modélisation : application de principes scientifiques pour concevoir ou mettre au point des talons en bout, des machines, des appareils ou des procédés de fabrication ; par des essais d'écoulement et des modifications de talons en bout ; par des combinaisons de ceux-ci, et par d'autres procédés et pratiques de conception. Ces procédés de détermination ne sont que des exemples nullement destinés à limiter de quelque manière que ce soit l'invention. Liste des repères 10 Trajet des gaz chauds 12 Turbine à gaz 14 Aubes du premier étage 16 Ailettes du premier étage 17 Roue de turbine 18 Aubes du deuxième étage 20 Ailettes du deuxième étage 22 Aubes du troisième étage 24 Ailettes du troisième étage 28 Ailette de turbine 30 Plate-forme 32 Pied 34 Queue d'aronde 36 Pale 38 Talon en bout 50 Talon en bout 52 Bord d'attaque 54 Bord de fuite REVENDICATIONS1. Ailette (28) de turbine comprenant une pale (36) ayant un talon (50) en bout, le talon (50) en bout ayant un bord (52, 54) ; le bord (52, 54) ayant un profil sensiblement conforme à des valeurs de X et Y dans un système de coordonnées cartésiennes présenté sur le Tableau 1 en des points 1 à 14, X et Y représentant des distances qui peuvent être agrandies ou réduites proportionnellement par un multiplicateur commun et qui, une fois agrandies ou réduites et reliées, définissent le profil du bord (52, 54) du talon (50) en bout. 2. Ailette (28) de turbine selon la revendication 1, dans laquelle les valeurs de X et Y du Tableau 1 sont des distances en pouces qui, lorsqu'elles sont reliées par des arcs continus lisses, définissent le profil du bord (52, 54) du talon (50) en bout. 3. Ailette de turbine selon la revendication 1, dans laquelle le profil du bord (52, 54) se situe dans des limites de +/- 1,625 mm (0,064 pouce) dans une direction perpendiculaire à tout emplacement le long du bord (52, 54). 4. Ailette de turbine selon la revendication 1, dans laquelle le bord (52, 54) est constitué par un bord d'attaque (52) du talon (50) en bout de l'ailette (28) de turbine. 5. Ailette (28) de turbine selon la revendication 1, l'ailette (28) de turbine étant conçue pour servir d'ailette de turbine de deuxième étage dans un moteur 12 à turbine à gaz. 6. Ailette (28) de turbine comprenant une pale (36) ayant un talon (50) en bout, le talon (50) en bout ayant un bord (52, 54), le bord (52, 54) ayant un profil sensiblement conforme à des valeurs de X, Y et Z d'un système de coordonnées cartésiennes, indiquées aux points 1 à 14 du Tableau 1, X, Y et Z étant des distances en pouces qui, lorsque les points sont reliés par des arcs lisses continus, définissent le profil du bord (52, 54) du talon (50) en bout. 7. Ailette (28) de turbine selon la revendication 6, dans laquelle le profil du bord (52, 54) se situe dans des limites de +/- 1,625 mm(0,064 pouce) dans une direction perpendiculaire à tout emplacement le long du bord (52, 54). 8. Ailette (28) de turbine selon la revendication 6, dans laquelle les valeurs de X, Y et Z indiquées sur le Tableau 1 peuvent être agrandies ou réduites dans la même mesure pour réaliser un profil proportionnellement agrandi ou réduit du bord (52, 54) du talon (28) en bout. 9. Ailette (28) de turbine selon la revendication 6, dans laquelle le bord (52, 54) est constitué par un bord d'attaque (52) du talon (50) en bout de l'ailette (28) de turbine. 10. Ailette (28) de turbine selon la revendication 6, l'ailette (28) de turbine étant conçue pour servir d'ailette de turbine de deuxième étage dans un moteur (12) à turbine à gaz.