Brevet FR3065985A1 — publié le 20181109

PROMOTEUR DE TURBULENCES D'ECOULEMENTS DE VENTILATION POUR UNE AUBE DESCRIPTION Le sujet de l'invention est un promoteur de turbulences d'Ã©coulements pour une aube, qui peut typiquement Ãªtre une aube de turbomachine, utilisÃ©e par exemple dans la turbine Ã haute pression. Le besoin accru en performances et l'Ã©volution des rÃ©glementations d'aÃ©ronautique poussent les motoristes Ã concevoir des moteurs de plus faibles tailles, fonctionnant dans des environnements plus durs en tempÃ©rature, pression ou vitesse de rotation. La tendance Ã augmenter les tempÃ©ratures de la veine d'Ã©coulement des gaz, par exemple Ã l'entrÃ©e de la turbine Ã haute pression, contraint ainsi Ã des optimisations du refroidissement interne des aubes creuses. Certaines aubes sont en effet creuses et comprennent un groupe de cavitÃ©s centrales parcourues par un Ã©coulement d'air plus frais, originaire des compresseurs de la machine et qui contribue donc Ã maintenir l'aube Ã une tempÃ©rature plus basse que les gaz ambiants. Cette conception est perfectionnÃ©e dans certaines aubes creuses plus complexes, oÃ¹ les cavitÃ©s centrales sont complÃ©tÃ©es par des cavitÃ©s latÃ©rales de faible Ã©paisseur qui sont placÃ©es entre les cavitÃ©s centrales principales et les faces latÃ©rales de l'aube. Ces cavitÃ©s latÃ©rales, elles aussi parcourues par de l'air de refroidissement, contribuent Ã maintenir les rÃ©gions centrales de l'aube Ã une tempÃ©rature plus basse en instaurant une barriÃ¨re thermique supplÃ©mentaire. Il est connu que l'efficacitÃ© de ces cavitÃ©s latÃ©rales est amÃ©liorÃ©e en y rendant l'Ã©coulement de ventilation turbulent, au moyen de certaines structures appelÃ©es ici promoteurs de turbulence qui peuvent comprendre des rugositÃ©s sur les parois de la cavitÃ© latÃ©rale, ou des picots ou des nervures saillant de ces parois, voire des pontets joignent les parois opposÃ©es de la cavitÃ©. Toutes ces structures ont pour effet de rendre l'Ã©coulement irrÃ©gulier en perturbant constamment sa direction et d'accroÃ®tre ainsi l'Ã©change thermique qu'il subit. L'objet de l'invention est de proposer un nouveau 2 3065985 promoteur de turbulences dont l'efficacitÃ© soit plus grande, c'est-Ã -dire qui permette un Ã©change de chaleur plus important entre l'air circulant Ã travers la cavitÃ© latÃ©rale et la paroi extÃ©rieure de l'aube. Sous une forme gÃ©nÃ©rale, l'invention concerne une aube comprenant une 5 cavitÃ© latÃ©rale interne de ventilation s'Ã©tendant entre une face latÃ©rale de l'aube et une rÃ©gion centrale de l'aube, caractÃ©risÃ©e en ce que la cavitÃ© latÃ©rale interne consiste en deux rÃ©seaux de canaux, les canaux de chacun des rÃ©seaux faisant un angle non nul avec une direction de hauteur de l'aube joignant un pied Ã un bord libre, les canaux d'un premier rÃ©seau faisant aussi un angle non nul avec les canaux d'un second rÃ©seau, les canaux du 10 premier rÃ©seau Ã©tant joints par des communications aux canaux du second rÃ©seau. Bien que le promoteur de turbulences de l'invention comporte des canaux de circulation, qui sont en principe dÃ©favorables Ã l'Ã©tablissement d'un Ã©coulement turbulent, un tel Ã©coulement est obtenu grÃ¢ce Ã cette disposition en treillis unitaire et notamment aux communications entre canaux, qui obligent sans cesse une partie du dÃ©bit 15 de ventilation Ã passer d'un rÃ©seau Ã l'autre Ã mesure qu'il se dÃ©place dans la cavitÃ© latÃ©rale, en suivant un chemin en zigzag qui impose encore une division des filets d'air et une recombinaison Ã chacune des intersections des canaux. Les canaux du premier rÃ©seau et ceux du second rÃ©seau ont favorablement des directions symÃ©triques par rapport Ã la direction de hauteur, afin de ne 20 pas favoriser la circulation dans un des rÃ©seaux, dont les canaux seraient les plus proches de la verticale. La facultÃ© de changement de rÃ©seau de canaux pour les diffÃ©rents filets d'air est de mÃªme accrue si les canaux du premier rÃ©seau et ceux du second rÃ©seau s'Ã©tendent dans des couches parallÃ¨les mais partiellement confondues, ce qui fait qu'ils ne 25 communiquent pas par des bords latÃ©raux des canaux seulement, mais que les canaux dÃ©bouchent directement les uns dans les autres sur au moins une partie de leur section Ã leurs croisements. On a constatÃ© que les performances les meilleures, oÃ¹ un Ã©change de chaleur important est compatible avec une perte de charge modÃ©rÃ©e, Ã©taient obtenues 3 3065985 avec des configurations oÃ¹ les angles entre les canaux du premier rÃ©seau et ceux du second rÃ©seau Ã©taient compris entre 80 et 1000 . Ainsi qu'on l'a mentionnÃ©, la rÃ©gion centrale sera frÃ©quemment une cavitÃ© de ventilation principale de l'aube. 5 Un autre aspect de l'invention est un procÃ©dÃ© de fabrication d'une telle aube, caractÃ©risÃ© en ce qu'il consiste Ã fabriquer sÃ©parÃ©ment un insert Ã la forme des rÃ©seaux de canaux, puis Ã mouler l'aube autour de l'insert, et Ã Ã©liminer l'insert. L'invention sera maintenant dÃ©crite dans ses diffÃ©rents aspects, caractÃ©ristiques et avantages au moyen des figures suivantes, qui en illustrent certains 10 modes concrets de rÃ©alisation non exclusifs d'autres : - la figure 1 est une vue gÃ©nÃ©rale extÃ©rieure d'une aube creuse ; - la figure 2, une coupe de cette aube ; - la figure 3, le dÃ©tail des conduits de ventilation ; - les figures 4 et 4A, des vues de la cavitÃ© latÃ©rale ; 15 - les figures 5, 6 et 7, des vues de trois variantes de rÃ©alisation ; - et les figures 8 et 8A, une vue d'un insert de moulage permettant de rÃ©aliser la cavitÃ©, et une vue de son emploi. L'invention peut Ãªtre appliquÃ©e Ã une aube telle que celle qui est reprÃ©sentÃ©e Ã la figure 1 et qui comprend une pale 1 aÃ©rodynamique et un pied 2 de 20 fixation Ã un disque par insertion dans un brochage de celui-ci. On dÃ©finit la direction de hauteur R de l'aube, qui correspond Ã une direction radiale de la machine quand l'aube est installÃ©e sur le disque, et cette direction de hauteur R joint le pied 2 Ã un bord libre 3 opposÃ© de la pale 1. La pale 1 comprend encore un bord d'attaque 4, un bord de fuite 5, et deux faces latÃ©rales 6 et 7 d'intrados et d'extrados qui sont ses faces principales. La pale 1 est 25 creuse et comprend au moins une cavitÃ© centrale 8 de ventilation s'Ã©tendant du pied 2 jusqu'Ã proximitÃ© du bord libre 3; quand plusieurs cavitÃ©s centrale 8 sont prÃ©sentes, comme c'est le cas ici, elles peuvent Ãªtre soit parallÃ¨les et parcourues toutes par de l'air de ventilation frais Ã haute pression originaire d'un compresseur de la machine et ayant traversÃ© un circuit 24 aboutissant au pied 2, soit rÃ©unies en forme de serpentin 12 par des 30 conduits de jonction, ce qu'on reprÃ©sente Ã la figure 3, pour Ãªtre alors parcourues 4 3065985 successivement par un mÃªme Ã©coulement. L'air de ventilation s'Ã©chappe des cavitÃ©s centrales 8 par des rangÃ©es de perÃ§ages qui dÃ©bouchent sur les faces latÃ©rales 6 et 7 et peuvent comprendre des rangÃ©es verticales 9 orientÃ©es dans la direction de hauteur R, des rangÃ©es horizontales 10 parallÃ¨les et adjacentes au bord libre 3, et des fentes 11 5 dÃ©bouchant sur le bord de fuite 5. Dans la rÃ©alisation reprÃ©sentÃ©e, une disposition un peu plus complexe est prÃ©sente, les cavitÃ©s centrales 8 composant le serpentin 12 Ã©tant complÃ©tÃ©es par des cavitÃ©s extrÃªmes 13 et 14 respectivement adjacentes au bord d'attaque 4 et au bord de fuite 5, qui sont sÃ©parÃ©es, alimentÃ©es par des dÃ©bits de ventilation propres, et se dÃ©chargent respectivement par une rangÃ©e verticale 9 10 particuliÃ¨re et par les fentes 11. On s'intÃ©ressera ici Ã des cavitÃ©s latÃ©rales 15, qui sont situÃ©es entre les cavitÃ©s centrales 8 et les faces latÃ©rales 7 et 6 de la pale 1, et qui sont comme les prÃ©cÃ©dentes alimentÃ©es par un dÃ©bit de ventilation particulier originaire du pied 2, et qui les parcourt dans la direction de hauteur R pour se dÃ©charger par les rangÃ©es horizontales 15 10. Les cavitÃ©s latÃ©rales 15 sont reprÃ©sentÃ©es aux figures 4 et 4A, qui reprÃ©sentent un fragment correspondant de l'aube suivant deux coupes et deux orientations diffÃ©rentes. Elles sont composÃ©es de canaux 17 et 18 rÃ©partis en deux rÃ©seaux. Les canaux 17 sont parallÃ¨les entre eux et sÃ©parÃ©s par des nervures 27, et les canaux 18 de 20 mÃªme parallÃ¨les entre eux et sÃ©parÃ©s par des nervures 28, dans une direction diffÃ©rente des canaux 17. Un aspect essentiel de l'invention est que les canaux 17 ont des communications 21 avec les canaux 18 de l'autre des rÃ©seaux, ce qui peut Ãªtre produit, comme le montre la figure 4, en attribuant aux canaux 17 et 18 une profondeur plus grande 25 que la moitiÃ© de l'Ã©paisseur de la cavitÃ© latÃ©rale 15, de sorte que les deux rÃ©seaux s'Ã©tendent dans des couches diffÃ©rentes de celle-ci, Ã partir de faces principales 19 et 20 opposÃ©es de la cavitÃ© latÃ©rale 15, mais partiellement confondues Ã une Ã©paisseur mÃ©diane 22. La disposition des canaux 17 et 18 est celle d'un treillis unitaire. Ainsi, l'air de ventilation originaire du pied 2 et pÃ©nÃ©trant dans les canaux 30 17 et 18 s'Ã©lÃ¨ve obliquement vers le bord libre 3 et la rangÃ©e horizontale 10, mais change 5 3065985 pÃ©riodiquement de rÃ©seau de canaux et de direction d'Ã©coulement en arrivant aux communications 21, et il y est d'autant plus contraint que les canaux 17 et 18 s'Ã©tendent seulement sur une partie de la hauteur Ã parcourir. Chaque communication 21 est le siÃ¨ge d'une division des dÃ©bits empruntant le canal 17 et le canal 18, dont une partie continue 5 sa route prÃ©cÃ©dente et une autre change de canal, puis d'une confluence entre le dÃ©bit demeurant dans le canal d'origine et celui qui a changÃ© de canal. L'intersection des canaux 17 et 18 impose des perturbations brusques aux Ã©coulements. Il en rÃ©sulte un Ã©coulement fortement irrÃ©gulier et turbulent, apte Ã produire un flux thermique important et Ã renforcer l'isolation thermique de la rÃ©gion centrale de la pale 1 contenant les cavitÃ©s 8 10 centrales principales. Des augmentations de flux thermique de 50 % ou plus ont Ã©tÃ© constatÃ©es par comparaison avec des promoteurs de turbulence traditionnels. Trois rÃ©alisations particuliÃ¨res sont reprÃ©sentÃ©es aux figures 5, 6 et 7 et portent les rÃ©fÃ©rences 15a, 15b et 15c. Elles montrent que les canaux 17 et 18 peuvent Ãªtre de largeurs diffÃ©rentes ou Ã des inclinaisons diffÃ©rentes par rapport Ã la direction de 15 hauteur R. Il est toutefois prÃ©fÃ©rable que les rÃ©seaux soient semblables en ce qui concerne les sections, les largeurs et les espacements des canaux 17 et 18, que ces rÃ©seaux soient rÃ©guliers et que les inclinaisons des canaux 17 et 18 soient semblables, mais opposÃ©es par rapport Ã la direction de hauteur R, c'est-Ã -dire que l'agencement des canaux 17 et 18 soit symÃ©trique par rapport Ã la direction de hauteur R. Les nervures 27 et 28 sont normalement 20 beaucoup plus Ã©troites que les canaux 17 et 18, pour laisser subsister une section de passage suffisante qui n'exagÃ¨re pas les pertes de charge. Une augmentation du nombre de canaux 17 et 18 a pour consÃ©quence une plus grande perte de charge, consÃ©cutive Ã l'accroissement du nombre de communications 21 et de turbulence de l'Ã©coulement, ainsi qu'une augmentation 25 approximativement proportionnelle du flux thermique soutirÃ© par l'Ã©coulement : c'est ainsi que, si un flux thermique plus important est souhaitÃ©, la configuration de la figure 5 est meilleure que la figure 6 oÃ¹ les canaux 17 et 18 sont plus larges, mais moins nombreux. Il a par ailleurs Ã©tÃ© constatÃ© que l'inclinaison des canaux 17 et 18 par rapport Ã la direction de hauteur R avait un rÃ´le important : si cette inclinaison est trop 30 importante, les pertes de charge s'accroissent en raison du trajet plus long et des virages 6 3065985 plus accentuÃ©s que le fluide subit, sans impliquer un flux thermique plus important. La configuration de la figure 7, oÃ¹ l'inclinaison des canaux 17 et 18 est importante, est ainsi moins favorable que celle de la figure 6, qui comporte le mÃªme nombre et la mÃªme largeur des canaux 17 et 18, mais avec une inclinaison moindre et des communications 21 plus 5 nombreuses. Les pertes de charge Ã©taient d'environ 50 % plus importantes, sans augmentation rÃ©elle du flux thermique. Des inclinaisons de 450 environ en sens opposÃ©s des canaux 17 et 18 par rapport Ã la direction de hauteur R, conduisant Ã des angles A Ã©gaux Ã environ Ã 90Â° (80Â° Ã 100Â° plus gÃ©nÃ©ralement) entre les canaux 17 et les canaux 18 des deux rÃ©seaux, pourraient Ãªtre idÃ©ales. 10 Le procÃ©dÃ© de fabrication de l'aube de la figure 1 consiste Ã utiliser des inserts 16 de moulage ayant la forme des canaux 17 et 18. Un de ces inserts 16 est reprÃ©sentÃ© Ã la figure 8 et comprend des rÃ©seaux de stries 29 et 30 parallÃ¨les, correspondant Ã des empreintes des nervures 27 et 28. Les stries 29 sont mÃ©nagÃ©es sur une face principale de l'insert 16, les stries 30 sur sa face opposÃ©e avec une direction 15 diffÃ©rente, et les fonds des stries 29 coupent ceux des stries 30 Ã mi-Ã©paisseur. Les inserts 16 sont placÃ©s dans le moule de l'aube avant de rÃ©aliser le moulage et en mÃªme temps que des noyaux 23 classiques pour former les autres cavitÃ©s (figure 8A). Quand le moulage est effectuÃ©, les inserts 16 et les noyaux 23, qui sont en matiÃ¨re consommable, sont Ã©liminÃ©s, ce qui dÃ©gage les cavitÃ©s, dont les cavitÃ©s latÃ©rales 20 15. 7 REVENDICATIONS1) Aube comprenant une cavitÃ© latÃ©rale (15) interne de ventilation s'Ã©tendant entre une face latÃ©rale (6, 7) de l'aube et une rÃ©gion centrale de l'aube, caractÃ©risÃ©e en ce que la cavitÃ© latÃ©rale interne consiste en deux rÃ©seaux de canaux (17, 18), les canaux de chacun des rÃ©seaux faisant un angle non nul avec une direction de hauteur (R) de l'aube joignant un pied (2) de l'aube Ã un bord libre (3) de l'aube, les canaux (17) d'un premier rÃ©seau faisant aussi un angle non nul avec les canaux (18) d'un second rÃ©seau, les canaux du premier rÃ©seau Ã©tant joints par des communications (21) aux canaux du second rÃ©seau. 2) Aube suivant la revendication 1, caractÃ©risÃ©e en ce que les canaux du premier rÃ©seau et les canaux du second rÃ©seau ont des directions symÃ©triques par rapport Ã la direction de hauteur (R). 3) Aube suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractÃ©risÃ©e en ce que les canaux du premier rÃ©seau et les canaux du second rÃ©seau s'Ã©tendent dans des couches parallÃ¨les, mais partiellement confondues. 4) Aube suivant l'une quelconque des revendications 1 Ã 3, caractÃ©risÃ©e en ce que l'angle (A) entre les canaux du premier rÃ©seau et les canaux du second rÃ©seau est compris entre 80Â° et 100Â°. 5) Aube suivant l'une quelconque des revendications 1 Ã 4, caractÃ©risÃ©e en ce que la rÃ©gion centrale contient au moins une cavitÃ© de ventilation (8) principale de l'aube. 6) ProcÃ©dÃ© de fabrication d'une aube selon l'une quelconque des revendications 1 Ã 5, caractÃ©risÃ© en ce qu'il consiste Ã fabriquer sÃ©parÃ©ment un insert (16) comprenant les rÃ©seaux de canaux, puis Ã mouler l'aube autour de l'insert et Ã Ã©liminer l'insert.