Brevet FR2978795A1 — publié le 20130208

ALLEGEMENT DE LA CONTRAINTE DE TIGE DE CAISSON D'AUBE DE TURBINE Contexte Cette demande concerne une façon d'alléger la pression qui sera imposée sur une tige raccordant les parois opposées dans un caisson au niveau d'une extrémité radialement externe d'une aube de turbine. Les moteurs à gaz sont connus, et comprennent typiquement un compresseur comprimant de l'air et le délivrant dans une chambre de combustion. L'air est mélangé avec du carburant et brûlé, puis il passe en aval sur les rotors de turbine. Les rotors de turbine comprennent typiquement une pluralité d'aubes amovibles. Les aubes de turbine sont soumises à des températures élevées, et à de nombreux contraintes et défis. Ainsi, une partie importante de la conception est incluse dans les aubes de turbine. Généralement, une aube de turbine comprend une surface portante s'étendant vers l'extérieur d'une plate-forme, et une emplanture qui permet à l'aube d'être montée sur un rotor. Dans une aube de turbine connue, une cavité ou un caisson est formé s'étendant vers s l'intérieur depuis le bout radialement externe pour profondeur particulière. Le caisson est défini par une paire de Parois espacées. Il a été découvert que pour des raisons structurales, est souhaitable qu'une tige raccorde les deux parois espacées au niveau d'un point le long de la distance du caisson. Ainsi, une ou plusieurs tiges Peuvent raccorder une paroi de pression de l'aube à une paroi d'aspiration. Les Parois de pression et d'aspiration sont exposées â des températures distinctes en fonctionnement, et il y a ainsi des contraintes imposées... le long de la longueur de le tige. Le pic de. contrainte est généralement appliqué au niveau d'un point Of-l- la tige se raccorde aux parois. Parmi les contraintes, On trouve des charges. de fatigue oligocycliques et mégacycliqu.es. Ces dernières sont mises â réagir au niveau des emplacements où les extrémités d'aube se raccordent aux parels. Là charge de fatigue oligocyclique primaire. a .lieu à partir de: températures distinctes. sur les deux. côtés de l'aube. Habituellement, la paroi de...aspiration est plus chaude que .paroi de pression:. En outre, y a des charges de fatigue M.ég4cyçIquee- Par exemple, il y a typiquement des bandes chaudes dans un motif de foyer. Ainsi, la tige est soumise à.. une charge cyclique d'une fréquence égale agi nombre de bandes chaudes, multiplié par le nombre de tour: d'arbre par seconde. En outre, une autre charge de fatigue mè acyclique .est nommée « interférence transitoire »,. Cela peut avoir lieu à partir de. distributions de pression non Uniformes tauséea par un écoulement de gaz autour d'obstacles tels que deS aubes directrices. Résumé Une aube' de turbine comprend une surface.. portante ayant un côté pression et un côté aspiration, et s'étendant depuis uni tord. d'attaque vers un:. bord de fuite. La surface portante e un bout éloigné d"une emplanture de montage, et caisson s'étendant. vers l'intérieur du bdut. Le caisson a des parois espacées avec une: paroi associée au Côte pression. de la surface portante, et une paroi opposée associée -au. côté aspiration. Une tige .Srétend par-dessus le. caisson et raccorde les parois opposées. Une .fehte est: formée dans la :tige au niveau d'un emplacement d'extrémités intermédiaires de 1.a tige qui raccordent aux parois De fAgoh avantageuse,_ la fente peut être formée sur une portion. gircônfêrehtiellé limitée la tige. De façon avantageuse, un angle de la fente peut être.. sélectionné en se basant sur une direction de mouvement relatif entre les extrémités. te façon avantageuse, des extrémités circonfére.ntiell la fente peuvent se diriger vers: lé. haut depuis une profondeur de la fente vers des bords circonférentiels d'e la fente, De façon avantageuse, la fente peut sl'êtendre vers l'intérieur SUr une profondeur et sur` une largeur L, et un. rayon raccorde une feeê latérale nominale de la fente à un fond de la fente, avec ledit fond définissant la largeur. De façon avantageuse, D peut être supérieur OU. égal à R ; par exempleID peut être supérieur à 1, R-. De façon avantageuse, L peut être inférieure ou égale à R. Par exemple, L peut être intêrietire. à. ô,eË be façon. avantageuse, il. peut y avoir une pluralité fentes.. eu niveau de différents emplacements. axiaux le long de 1A. tige. De feOri, avantageuse, la pluralité de féntês peut être fermée au niveau de différents emplacements. circonférentiels autour` de ladite tige. De façon avantageuse, UU emplacement pour la tige le long d'Une direction dU bord d'attaque vers le bord de fuite peut être déterminé en se basant sur uune. analyse modale. Un procédé est également décrit peUr .identifier un emplacement pour- la tige le log d' une distance. entre un 2978795 4. bord d'attaqueet un bdrd de eüite du caisson. Le procédé utilise une analyse imodale et cherche à trouver un emplacement où à là. foiS Une force de réaction et un. moment sont inférieurs à. Ce qu'ils seraient à d'autres. 5 emplacements. ide façon avantageuse, une force. :de réaction et. une équation de moment peuvent être minimisées pour trouver l'emplacement de la tige. façon avantageuse, un emplacement déplacement IO. minimal. peut étre utilisé pour identifier l'emplacement de tige. Ceà caractéristiques et d'autres ... de présente invention. peuVent être mieux.. comprises. au regard de ïa description et des dessins StliV.ànt$ dent s'ensuit .. une 15 brève description. Brève description. des dessins La figure 1 illustre une aube. de turbine. cornue. La figure 2 illustre une portion de l'aube de 20 tuZt),Ile le long de la zone identifiée par le 2 entouré de t'igure. 1. La figure 3A illustre une amélioration à une. tige. La figure 3B illustre des détails. supplémentaires de .cette aitélidtatidh. 25 La figure 3C est. encore une autre vue de l' amélioration. La figure4 illustre un autre mode de réalisation. La figure 5 illustre une autre. caractéristique. 30 Description détaillée One aube de turbine... 30 est. illustrée. sur. la figure 1, et comporte une surface portante 32. S'étendant vers le haut depuis une emplanture 31. Un, bout radialement externe 29 comprend une cavité ou un caisson 34 s'étendant dans une portion 4e. la longueur de la surface. portante 32. Une paroi bVaspiration 33 êt une paroi de. pression. 39 sent en outre définies. Un bord d'attaque 37 et un bord de fUite 35 sont également illustrés. Comme le montre la figure le caisson 34 s'étend dans une direction depuis bord .d'attaque 37 vers le bbld de fuite 35. Comme rlllustre la. figure une tige 36 est fournie diane le caisson. 34 et entre les parois de pression. et d'aspiration 39 et 33 Comme mentionné. ci-dessus, 11. y a des contraintes imposées le long de la longueur de la tige 36 dues e des variations de température, et un certain nombre d'autres défis. Comme mustre, la tige- 3`6 s'é'tend entre une extrémité 38 associée à pardi d'aspiration 33 et. Urie extrémité 40 associée à la paroi de pression 39'. figure 3A illustre une tige elté1liei: 236 s'étendant entre les parbla 33 et 39, e:t ayant' des extrémités 38' et. .40. Une fente 42 est formée au niveau d'un emplacement le long d'une longueur dei la tige 236.. Comme illustré, la tige 236 est généralement cylindrique., bien.... que la tige ne soit pas limitée à des formes cylindriques. La fente 42 découple essentiellement. les deux extrémités 38: et 40, dê sorte que.. les contraintes IMpbSéês à chaque extremite n'affectent pas l'autre extrémité. énereleeent, les inégalités de température subies par IeS detik extrémités 38 et 40 peuvent amener 1.P tige entière à se tordre et se déplacer, et le fente 42 découple le transfert des Contraintes-. La figure 3B illustre.. la fente 42 s'étendant entre des bords circonférentiels 44. Comme on peut l'apprécier, il y e une rampe 45 se dirigeant vers l'extérieur depuis la fente 42 vers. Iee extrémités 44. En optre, comme on peut l+apprécier,, la fente 42 s'étend en travers d'un angle A. défini autour' d"uné ligne centrale de la tige. 23 6.. Comme l'illustré la.. figure 3C,. la fente. 42 s'étend vers. l'intérieur depuis.. une profondeur D.; une distance ou une longueur L, et. est. à un rayon R,., où l'extrémité de la. profOndeur fpsionnp dans la largeur L. .11 y a. Un rayon similaire au .niveau. du côté opposé de la. fente 42, ou juste la gaUChe de... 14 largeur L. Dans des; modes d'e réalisation, il est souhaitable que la profondeur. soit. -Supérieure, ou égale au.. rayon et que la largeur L sait nférieure ou égale eu. rayon Dana.. un exemple 14. PrOfotdeur D était supérieure à 1,'.5 x le rayon R, et là 14.'rgeUe W était inférieure 0,66 à Dans un mode. de réalisation, la profondeur D-était égele- à.. 2 R et la làtgètit w 6tsit 4sle La figure 4 illustre un autre mode de. réal 4t1 On tige- 136. ayant deux fentes 138 et 140. Comme on peut 2.0 l'apprécier, les. fentes sont. à. des orientations: angulaires différentes à. des positions. axiales. différentes.. Lorsqu'il y a de multiples charges ou... des.. mouVeMents relatifs avec- des directions de vecteur distinctes et des orientations .différentes'. .alors ce mode ..2-5... de réal.i.setion itI41tite peut être utilisé.. L'angle, concernant. à la fois son emplacement circonférentiel et Sen amplitude, est. généralement sélectionné de façon à être dans une. direction et une... amplitude le long desqUelleS il y a un mouvement relatif 30 entre les deux .extrémités. 38 et 40 de la. tige. Dans certaines conceptions de surface portante, peut: y aVOir plus d'une direction de. mouvement relatif ainsi la flgilte. 4 pour une double fente., ou même des fentes. additionnelles, devient utile. L'emplacement axial le long de la longueur dé la. tige peut être généralement sélectionné au niveau d'un emplacement presque central. sur la tige.. Toutefois, tout emplacement entre les extrémités peut être utile. Dans une autre:: caractéristique, la position d'une tige le long de le.. lonueUr d' caisson p être choisie comme- montré sur la figure 5. figure 5 illustre le déVeloppement d'une aube 141, ayant un caisson 143.. Des formes de mode typique sont montrées comme. en 142, 144 et 146e L'état de contrainte dans la tige au niveau des parois d'aube peut être défini en tant qu'une force de réaction et un moment, exprimés en tant que : 1) F Fe + iF' et :,,,. M Mè + iM; Fe et représentent. les grandeurs d'état .stable de force de réaction et de. moment d.e pareil d'aube 20. extrémité.. fixe alors que Fi et Mi sont les composantes de force de réadtien cyclique et. de moment, respectivement. Le i reprêSehte l'unité imaginaire, par définition i2 ,---: 1. Là pertie imaginaire représente la composante": de charge cyclique. Généralement, remplacement de la tige 25 le long de la distance: du caisson du bord d'attaque 37 au bord de fuite 35 est. sélectionné pour minimiser les équations 1 et 2. Une analyse informatique d'une partie. utilisant une analyse Modale.. peut être utilisée pour trouver un emplacement. souhaitable. pour la tige le .long 30 de dette. distance. Comme le montre figure 5, un point de mouvement minimal est identifié par le mode 142. L'emplacement de mouvement minimal est. généralement également l'emplacement 0)à les équations 1 et 2. sont minimisées et ainsi serait l'emplacement de conception pour la tige. PoUr .les Objectifs des revendications de cette dema plutôt que de minimiser réellement. les deux équations, certains emplacements (;)ù les detX..: équations sont plus .petites qu'elles seraient à certains autres emplacements peuvent 'être utilisés. En somme, une aube de turbine ayant une... tige qui est soumise à.. moins de contraintes et de .forces et qui est également. mieux égnipéé pour résister à. de telles contraintes et forces a été divulguée. L`homme du métier reconnaîtra que Certaines modifications se trouvent dans la Pert4e de 1rinvention. Pour cette raison faut étudier les revendications. suivantes PPur déterminer là.. pOttée réelle et le contenu de cette invention. REVENDICATIONS1- ,7\ue. de turbiné comprenant une. surface portante ayant un côté pression et un côte aspiration, et s'étendant depuis. un bo.rd d'attaque. vers.. un bord. de fuite, ladite surface portante ayant un. bout- éloigné d'une emplanture, et un caisson formé .eetendant vers l'intérieur dudit bout, ledit caisson ayant des.. parois espacées avec uni paroi associée au côté .pression et une pàToi. opposée associée au côté 10 aspiration ; et une tige s'étendant à. travers. le caisson et raooOdant.. les parois opposées, une fente (42) formée dans la. tige au niveau d'un emplacement d'extrémités. intermédiaires de la tige qui se raccordent. aux parois 15 opposées. 2. Aube de turbine selon le revendication 1, dans laquelle ladite fente OZ; 138, 140Y est. formée sur une portion circonféxentielle limitée de le tige. 3. Aube de turbine selon la revendication 2, dans 20 laquelle angle de la fente est. sélectionné en se. basant sur une direction de mouvement relatif entre: les. extrémités. 4. AUbe de turbine selon la revendication. 2 ou 3, dans laquelle des extrémités. circonférentielles de la 25 fente. se dirigent vers le neUt depuià une profondeur de.. la fente. vers .... des. bords CIrcenférentiels: de la... fente. Aube de turbine selon rune. quelconque des. revendications précédentes, dans.. laquelle la fente (42) s'étend vers l'intérieur sur une profondeur. D, et sur une 30 largeur L, et un rayon R raccorde une face latérale. nominale de la. fente un fond de la fente, avec ledit fond définissant la largeur. 6. Aube de turbine selon la revendication 5, dans. laquelle D est. supérieur ou égala R. Aube de... turbine selon la revendi.oetion. 5 .0 dans laquelle L est inférieure ou égale: à 5a Aube de turbine. selon l'Ute quelconque des revendications 5 à 7, danS laquelle D est supérieure à. 1,5 R. Aube de turbine à?loh. l'une quelconque des revendications. 5 à 8, dans laquelle .I. est inférieure à 0,66.: R. Aube de turbine selon l'une quelconque de$ revendications précédentes, dans laquelle une pluralité de fentes a38, 140} eu niveau de différents emplacements axiaux le long de le tige. 15. 11. Aube de turbine selon la rev?UdiCation. 10# laquelle ladite pluralité de fentes est formée au niveau dé différents emplacements crconférentiels auteur dé.. ladite tige. 12. Aube de tUb4-ne selon l'une quelconque des 2..O revendication précédentes, dans laquelle un emplacement PO4ri t.Jie 1? 1.014 d`Utie direction du. bord d'attaque ..ers. le bord de fuite, est déterminé. en se basant sur une analyse Modelé. 13. Procédé de conception d'une aubede turbine. 25 comprenant les, étapes de définition. d'une surface portante et d'un caisson eétehdant dans un bout de la surface,., portante, Ië caisson étant formé entre des parois d'aspiration et de pression. espacées, et le caisson s'étendant. d'un 30 emplacement adjacent. au bord. d'attaque de la surface portante vers bord de fuite ; et identification .d-i emplacement. polir. qu'une tige s'étende à travers caisson et raccorde... la. paroi IO 2978795 Il d'aspira_ion à la paroi de pression, en utilisant une analyse modale qui recherche un emplacement de moindre déplacement qui peut être trouvé au niveau d'autres emplacements. 14. Procédé selon la revendication 13 dans lequel une force de réaction et une équation de moment sont minimisées pour trouver l'emplacement de la tige. 15. Procédé selon la revendication 13 OU 14, dans lequel un emplacement de déplacement minimal est utilisé pour identifier l'emplacement pOUr la tige.