Brevet FR2924958A1 — publié le 20090619

La présente invention concerne les aubes de turbomachine. Elle porte sur les aubes de turbomachines ou de modules de turbomachine, tels que des modules de compresseur ou de turbine, réalisées de fonderie et en particulier sur l'engraissement de la zone de raccordement entre la pale et son talon ou la pale et la plate forme associée. Les aubes obtenues par fonderie de superalliages à base de nickel ou de cobalt sont fabriquées selon la technique dite à la cire perdue. Ces aubages ont des structures métallurgiques colonnaires ou monocristallines obtenues par un procédé de solidification dirigée. Ce procédé est délicat à maîtriser, en particulier pour des pièces creuses et fortement tridimensionnelles. La fabrication de tels aubages passe par la réalisation d'un modèle en cire, ou autre matériau équivalent, qui comprend une pièce interne formant un noyau de fonderie et figurant les cavités de l'aubage. On utilise, pour former le modèle, un moule d'injection pour cire dans lequel on place le noyau et on y injecte la cire. Le modèle en cire est ensuite trempé plusieurs fois dans des barbotines constituées d'une suspension de particules céramiques pour confectionner un moule carapace. On élimine la cire et on cuit le moule carapace. On obtient l'aubage en coulant un métal en fusion qui vient occuper les vides entre la paroi intérieure du moule carapace et le noyau. Grâce à un germe, ou un sélecteur approprié, et un refroidissement contrôlé, le métal se solidifie selon une structure cristalline voulue. Selon la nature de l'alliage et les propriétés attendues de la pièce résultant de la coulée, il peut s'agir de solidification dirigée à structure colonnaire, de solidification dirigée à structure monocristalline ou de solidification équiaxe (EX). Après la solidification de l'alliage, la carapace et le noyau sont décochés, il en ressort l'aubage désiré. La solidification est un moment durant lequel le métal subit des contraintes thermiques importantes, ces contraintes sont souvent à l'origine de la recristallisation du métal. En effet, sur des aubages pleins monocristallins bruts de fonderie, d'importantes zones de recristallisation bien définies sont constatées. Lorsque l'aube comprend un talon par exemple des zones recristallisées se situent sur la pale, sous le talon, environ 10 mm sous le raccordement pale-talon, comme on la représenté sur la figure 1. La recristallisation sur ces aubes a pour origine des contraintes trop importantes imposées au métal au cours de la solidification. Pour tenter de remédier à ce problème et supprimer le défaut de recristallisation plusieurs essais ont été conduits qui n'ont pas apportés de solutions concrètes. On a réduit la taille des amenées de coulée ou encore procédé à des allègements de la paroi du moule carapace. Une autre méthode testée, pour remédier à ce problème, a été d'ajouter différents types de surépaisseurs ou engraissements, localement, sur tout le pourtour de la pale immédiatement sous le talon. On obtient un tel engraissement en modifiant le modèle en cire à partir duquel on réalise le moule. Des exemples de modifications sur les racines, sont représentés sur les figures 2a, 2b et 2c. La racine, ou surépaisseur, est définie par une hauteur et une épaisseur en intrados et en extrados. La zone de raccordement s'étend sur tout le pourtour de la pale. Des essais réalisés ont permis de constater l'influence de la géométrie de la racine sur la recristallisation. La figure 2a montre une racine avec une épaisseur de 3 mm et une hauteur de 5 mm, La figure 2b montre une racine avec une épaisseur de 2 mm et une hauteur de 10 mm. La figure 2c montre une racine avec une épaisseur de 3 mm et une hauteur de 10 mm. Il n'a été possible d'éliminer le phénomène de recristallisation qu'avec une racine de taille relativement importante facilitant l'écoulement du métal en fusion entre la pale et le talon. Mais, en raison de cette taille, la racine n'est pas satisfaisante sur le plan aérodynamique : d'une part elle crée une marche nominale tangentielle dans la veine générée par la troncature du rayon veine externe, d'autre part sa présence sut tout le profil perturbe de manière non négligeable les performances aérodynamiques sur la turbomachine. De plus, une telle racine induit un accroissement de masse non négligeable et une augmentation de la loi de la section de façon abrupte. Les principales conséquences sont, d'une part une augmentation des contraintes centrifuges sur la pale et donc une diminution forte des durées de vie, notamment en fluage, et d'autre part un mauvais positionnement du centre de gravité talon impliquant une augmentation des contraintes locales de la pale sous talon, et sur le disque, amenant une diminution des durées de vie et de la marge en survitesse. Pour remédier à ces inconvénients, le déposant s'est fixé comme objectif d'élaborer une racine satisfaisante à la fois vis-à-vis de la coulabilité du métal en fusion dans le moule carapace, des contraintes aérodynamiques à respecter et de la tenue mécanique de la pièce en utilisation sur la turbomachine. L'invention a ainsi pour objet la construction d'une aube, avec la mise en place d'un épaississement local de la section pale, désigné racine, favorable pour ce qui concerne les critères rapportés ci-dessus. Afin de satisfaire ces critères, l'épaississement est appliqué sur une surface particulière de la pale, principalement en bord d'attaque, intrados et extrados, sur une hauteur définie. Conformément à l'invention, une aube de turbomachine réalisée de fonderie, comprenant : une pale avec une bord d'attaque BA, une face intrados FI, une face extrados FE, un bord de fuite BF, un squelette S et d'axe longitudinal ZZ, les faces FI et FE présentant une ligne de col, respectivement col d'intrados CI et col d'extrados CE par rapport à l'aube adjacente dans la roue de turbomachine dont elle constitue un élément, une pièce d'extrémité de la pale, telle qu'un talon ou une plateforme, présentant une face d'extrémité de pale, côté veine, formant un angle avec l'axe ZZ et une zone de raccordement entre la pale et ladite face d'extrémité de pale, ladite zone de raccordement formant un engraissement de la pale, est caractérisée par le fait que ladite zone de raccordement s'étend autour du bord d'attaque BA entre un point Pl situé sur l'extrados FE de la pale en amont du col d'extrados CE et un point P3 situé sur l'intrados FI de la pale en amont du col d'intrados CI. Ainsi l'invention permet-elle de résoudre le problème de la coulabilité du métal en fusion tout en assurant à la fois les performances aérodynamiques et la tenue mécanique. Elle a consisté à définir un engraissement de matière, sur une surface particulière de la pale, principalement en bord d'attaque, intrados et extrados et sur une hauteur définie, permettant de respecter les critères multi-disciplines. L'invention a pour avantage de supprimer la recristallisation, tout en respectant les critères aérodynamiques, et permet d'améliorer la durée de vie de la pale. L'invention s'applique à toutes les aubes de turbomachines brut de fonderie, qu'elles soient fixes ou mobiles, placées dans une veine non cylindrique. L'invention est expliquée pour des engraissements en bord d'attaque entre la pale et la veine supérieure, mais peut aussi s'appliquer à des engraissements en bord d'attaque entre la pale et la veine inférieure si la conicité de la veine implique le besoin. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, la ligne P2 formée des points situés à l'amont dans la zone de raccordement est située dans le prolongement du bord d'attaque BA de la pale sur le squelette S. 10 Conformément à une autre caractéristique, la face d'extrémité de pale forme un angle a avec la ligne P2 au moins égal à 75° et inférieur à 90°. Conformément à une autre caractéristique de l'invention également, la courbure de la zone de raccordement en au moins une partie des points de 15 la ligne P2 est fonction de la courbure du bord d'attaque et de la distance séparant le point de la ligne P2 sur ladite face d'extrémité de la pale et le bord d'attaque de la pale sur ladite face d'extrémité. Pour mémoire : la courbure en un point est égale au rayon inscrit dans le profil au niveau du point. De préférence le rayon de courbure en un point de la ligne P2 ave 20 racine est égal au rayon de courbure correspondant sur le profil initial BAv, abstraction faite de la racine, plus un tiers de la longueur Il telle que définie plus bas. Conformément à une autre caractéristique, la surface de la zone de 25 raccordement en Pl située sur l'extrados FE d'une part et la surface de la zone de raccordement en P3 située sur l'intrados FI d'autre part, est tangente à la pale. Conformément à une autre caractéristique, la surface de la zone de 30 raccordement présente un profil Cl entre la ligne P2 et le point Pl situé sur l'extrados FE sensiblement le même, au moins en partie, que celui de la surface extrados FE de la pale théorique avec des parties de liaison assurant la continuité avec le reste du profil de la pale. 35 Conformément à une autre caractéristique, la position du point P3 situé sur l'intrados est déterminée de façon à optimiser la position du centre de gravité de la zone de raccordement. Pour chaque plan de coupe transversal le long de l'axe, le centre de gravité de la zone de raccordement se trouve de préférence sur l'axe de petite inertie de la coupe faisant abstraction de la 40 racine au plus près de centre de gravité de ladite coupe.5 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif La figure 1 illustre la position d'une zone de recristallisation en intrados et extrados sur des aubes pleines monocristallines brutes de fonderie. Les figures 2a, 2b et 2c illustrent des essais de différents 10 engraissements de la racine. La figure 3 représente, vue de profil et schématiquement, l'extrémité d'une aube avec talon dont la zone de raccordement est engraissée conformément à l'invention. La figure 4 représente l'aube de la figure 3 vue en coupe selon la 15 direction 4-4. La figure 5 est un graphique de la loi des aires des sections de l'aube selon l'invention le long de l'axe ZZ comparée à celle d'une racine non optimisée. 20 En référence aux figures 3 et 4, on voit une aube 10 comprenant une pale 11 et une pièce d'extrémité 20, ici un talon, représentée schématiquement. Le talon en extrémité de la pale 11 a pour fonction d'assurer l'étanchéité de la veine et comprend sur sa surface extérieure des léchettes d'un joint d'étanchéité, non représentées. Il peut s'agir d'une plateforme dans le cas 25 de l'extrémité radialement interne. Pour la suite on considèrera le cas d'un talon en extrémité radialement externe de la pale. La pièce d'extrémité 20 présente une face d'extrémité de pale 21, tournée vers la pale. Cette face forme un angle 0 non nul avec l'axe ZZ de la pale. Sur l'exemple représenté l'angle 0 est d'environ 50°. La pale 11 de la turbomachine 30 comporte une face intrados FI et une face extrados FE s'étendant entre un bord d'attaque BA et un bord de fuite BF. L'aube 10 comprend une zone de raccordement entre la pale et le talon formant une surépaisseur ou un engraissement 11E à partir d'un point Pl 35 sur la face extrados FE, et d'un point P3 sur la face intrados FI. Cet engraissement est l'excès de matière par rapport au profil théorique, c'est-à-dire sans engraissement, de la pale directement sous la surface d'extrémité 21 et qui est représenté par les traits en pointillés BAv, FIv et FEv sur les figures 3 et 4. 40 L'engraissement est défini par les règles décrites ci-après. Le point P1 est situé en amont de la ligne de col extrados CE, le col étant la distance minimale séparant deux aubes voisines. La zone de raccordement, en Pl, est tangente à la pale 11. Le profil Cl selon des directions parallèles à la surface 21 sur l'extrados de la zone de raccordement 11E est sensiblement le même au moins en partie à celui de la zone extrados FEv de la pale théorique avec des parties de liaison assurant la continuité avec le reste du profil de la pale. L'épaisseur de la zone de raccordement 11E sur l'extrados doit être minimale. Cette épaisseur est définie par l'expérience de fonderie, elle est imposée pour minimiser les pertes de performances aérodynamiques. Le rajout de matière intrados est défini par les règles décrites ci-après. Le point P3 est situé en amont de la ligne de col intrados CI. La zone de raccordement, en P3, est tangente à la pale 11. Le profil C3 de la surface intrados de la zone de raccordement 11E est plutôt similaire à celui de la zone intrados FIv de la pale théorique. Le positionnement du point P3 est déterminé avec une certaine marge dans le but d'optimiser la position du centre de gravité de la zone de raccordement 11E. Le déplacement du point p3 vers le point CI permet de déplacer le centre de gravité de la zone de raccordement vers le point CI et inversement. L'optimisation de la position du centre de gravité de la zone de raccordement permet à la pale de garder sa tenue mécanique. Le centre de gravité de la zone de raccordement (15) est avantageusement sur l'axe de petite inertie de la coupe sans racine de préférence au plus près du centre de gravité de la coupe sans racine. L'engraissement de la zone de raccordement en intrados est déterminé, d'une part, par une épaisseur minimale, spécifiée par l'expérience fonderie, afin de respecter des critères de coulabilité, et d'autre part, par une épaisseur maximale résultant de l'objectif section/masse afin de respecter les contraintes de tenue mécanique. Comme noté précédemment, l'engraissement est situé principalement au niveau du bord d'attaque BA de la pale. Le bord d'attaque BA est la ligne formée des point le plus en amont sur le profil de la pale et le bord de fuite BF est la ligne des points le plus en aval. L'amont et l'aval sont définis par rapport à l'écoulement du gaz autour de la pale. La ligne P2 des points de la zone de raccordement également en amont, est située dans le prolongement de la ligne du bord d'attaque BA et du squelette S de la pale. Le squelette de la pale, appelé aussi ossature ou ligne moyenne, est l'ensemble des points équidistants de l'extrados FE et de l'intrados FI. La zone de raccordement, sur laquelle est positionné le point P2, est défini par des angles a et P. L'angle a correspond à l'angle entre la face d'extrémité de la pale et la ligne P2. L'angle (3 est l'angle entre la ligne P2 et le bord d'attaque BA. Ces deux angles, sont définis par l'expérience de fonderie afin de respecter le critère de coulabilité. L'angle a se situe dans un intervalle compris entre 75° à 90°. Quant à l'angle [3, il est lié à l'angle a. Le raccordement entre la zone 11E et la surface 21 n'est pas à angle droit mais est progressif avec un arrondi. Le point de la ligne P2 sur la face 21 est à une distance Il du bord d'attaque BAv théorique. La longueur Il est déterminée de manière à conserver les critères aérodynamiques de la pale. Sa longueur est suffisante afin de préserver la tenue mécanique du talon. La hauteur I2 représente la hauteur de la zone de raccordement à proximité du bord d'attaque. Cette hauteur est comprise entre une valeur minimale et une valeur maximale. La valeur minimale doit satisfaire le critère de coulabilité, I2 minimale est déterminée par l'expérience de fonderie. Par ailleurs, la valeur maximale vise à respecter l'objectif de loi de section/masse pour préserver la tenue mécanique. La figure 5 est un graphique, avec, pour axe des abscisses, l'aire de la racine, et pour axe des ordonnées, le rayon, représentant la loi de sections/masse. On constate que la géométrie de la racine de l'invention permet de réduire considérablement la section et les problèmes qui y sont associés. Le gain de masse GM est illustré par la surface entre la portion de courbe représentant l'aire des coupes à travers la racine initiale RI telle qu'elle aurait été réalisée sans l'invention et la racine RO de l'invention.35 Revendications 1. Aube de turbomachine réalisée de fonderie, comprenant une pale (11) avec une bord d'attaque (BA), une face intrados (FI), une face extrados (FE), un bord de fuite (BF), un squelette (S) et d'axe longitudinal (ZZ), les faces (FI) et (FE) présentant une ligne de col, respectivement col d'intrados (CI) et col d'extrados (CE) par rapport à l'aube adjacente dans la roue de turbomachine dont elle constitue un élément, une pièce d'extrémité (20) de la pale, telle qu'un talon ou une plateforme, présentant une face d'extrémité de pale (21), côté veine, formant un angle avec l'axe ZZ et une zone de raccordement (15) entre la pale (11) et ladite face d'extrémité de pale, ladite zone de raccordement formant un engraissement de la pale, caractérisée par le fait que ladite zone de raccordement (15) s'étend autour du bord d'attaque (BA) entre un point P1 situé sur l'extrados (FE) de la pale en amont du col d'extrados (CE) et un point P3 situé sur l'intrados (FI) de la pale en amont du col d'intrados (CI). 2. Aube selon la revendication 1, dont la ligne (P2) formée des points situés à l'amont dans la zone de raccordement (15) est située dans le prolongement du bord d'attaque (BA) de la pale, sur le squelette. 3. Aube selon la revendication 2 dont la face d'extrémité de pale (21) forme un angle a avec la ligne (P2) au moins égal à 75°. 4. Aube selon la revendication 3 dont l'angle a est inférieur à 90°. 30 5. Aube selon la revendication 1, 2 ou 3 dont la courbure de la zone de raccordement en au moins une partie des points de la ligne P2 est fonction de la courbure du bord d'attaque et de la distance séparant le point de la ligne P2 sur ladite face d'extrémité de la pale (15) et le 35 bord d'attaque de la pale sur ladite face d'extrémité. 6. Aube selon la revendication 5 dont le rayon de courbure en un point de la ligne P2 avec racine est égal au rayon de courbure correspondant sur le profil initial BAv, abstraction faite de la racine, 40 plus un tiers de la longueur..25 7. Aube selon l'une des revendications précédentes dont la surface de la zone de raccordement (15) au point Pl est tangente à l'extrados (FE). 8. Aube selon l'une des revendications précédentes dont la surface de la zone de raccordement (15) en P3 est tangente à l'intrados (FI). 9. Aube selon l'une des revendications précédentes dont la surface de la zone de raccordement présente un profil (Cl) entre la ligne (P2) et le point (Pl) sensiblement le même, au moins en partie que celui de la surface extrados (FE) de la pale (11). IO.Aube selon l'une des revendications précédentes dont la surface de la zone de raccordement (15) présente un profil (C3) entre la ligne (P2) et le point (P3) semblable au moins en partie à celui de la surface intrados (FI) de la pale (11). 11.Aube selon la revendication 1 le centre de gravité de la zone de raccordement (15) est sur l'axe de petite inertie de la coupe sans racine de préférence au plus près du centre de gravité de la coupe sans racine. 12.Aube selon la revendication 1 dont une hauteur I2 de la zone de raccordement est équivalente à la distance entra le bord d'attaque BA et le talon (20). 13. Module de turbomachine comportant au moins une aube selon l'une quelconque des revendications précédentes. 14.Turbomachine comportant au moins une aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.