Brevet FR3097263A1 — publié le 20201218

Description Titre de l'invention : Aube de turbomachine à refroidissement amélioré Domaine technique [0001] L'invention concerne une aube de turbomachine, telle qu'un turboréacteur, un turbo- propulseur, ou une turbine à gaz, et elle s'applique notamment à une aube de turbine de type haute pression. Technique antérieure [0002] Dans un tel moteur de type turboréacteur, repéré par 1 dans la figure 1, l'air est admis dans une manche d'entrée 2 pour traverser une soufflante comportant une série de pales rotatives 3 avant de se scinder en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire. [0003] Le flux primaire est comprimé par des compresseurs basse pression 4 et haute pression 5 avant d'atteindre une chambre de combustion 6, après quoi il se détend en traversant une turbine haute pression 7 et une turbine basse pression 8, avant d'être évacué en générant une poussée auxiliaire. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement par la soufflante pour générer une poussée principale. [0004] Chaque turbine 7, 8 comporte des séries d'aubes orientées radialement et régu- lièrement espacées autour d'un axe de rotation AX, un carter externe 9 entourant l'ensemble du moteur. [0005] Le refroidissement des aubes de turbines est assuré en faisant circuler dans chaque aube de l'air prélevé en amont de la chambre de combustion et admis en pied d'aube, cet air étant évacué par des perçages et/ou des fentes traversant les parois de ces aubes. [0006] D'une manière générale, l'efficacité du refroidissement, et en particulier la di- minution du débit nécessaire au refroidissement des aubes de turbines haute pression permet de réduire la consommation en carburant d'un turboréacteur, et d'augmenter la durée de vie des aubes. [0007] Néanmoins, il apparaît que le refroidissement des aubes de turbine haute pression nécessite un constant effort (l'amélioration du fait notamment de l'évolution continuelle des conditions de fonctionnement, des procédés de fabrication et des besoins en performances. [0008] Dans ce contexte, le but de l'invention est d'apporter une nouvelle conception (l'aube ayant un circuit de refroidissement amélioré. Exposé de l'invention [0009] A cet effet, l'invention a pour objet une aube de turbine d'une turbomachine telle qu'un turbopropulseur ou un turboréacteur, comprenant un pied portant une pale 2 s'étendant selon une direction d'envergure, cette pale comprenant un bord de fuite pourvu d'évents de refroidissement, ainsi qu'un premier circuit en serpentin et un second circuit en serpentin, et dans laquelle : [0010] -chaque circuit en serpentin comporte plusieurs conduits s'étendant selon la direction d'envergure en étant raccordés les uns aux autres par des portions coudées ; [0011] -chaque circuit en serpentin est alimenté en air par une embouchure située au niveau du pied via son conduit qui est le plus éloigné du bord de fuite ; [0012] -les évents sont alimentés en air de refroidissement par le premier circuit en serpentin et par le second circuit en serpentin. [0013] Avec cet agencement, le nombre de circuits de l'aube est limité puisqu'il n'est pas nécessaire de prévoir un circuit dédié au refroidissement du bord de fuite, ce qui permet de faciliter la fabrication du pied d'aube, notamment au niveau de son pied. [0014] L'invention concerne également une aube ainsi définie, dans laquelle le premier circuit en serpentin alimente en air les évents les plus proches du pied, et dans laquelle le second circuit en serpentin alimente en air les autres évents. [0015] L'invention concerne également une aube ainsi définie, dans laquelle le second circuit en serpentin alimente en air les évents les plus proches d'une partie de sommet de la pale, et dans laquelle le premier circuit en serpentin alimente en air les autres évents. [0016] L'invention concerne également une aube ainsi définie, dans laquelle le premier circuit en serpentin a un nombre de conduits pair et le second circuit en serpentin a un nombre de conduits impair, ou inversement, dans laquelle le premier et le second circuit en serpentin sont terminés respectivement par un premier et par un second conduit terminal, ces deux conduits terminaux longeant le bord de fuite en s'étendant dans le prolongement l'un de l'autre, et en étant séparés l'un de l'autre par une cloison interne de la pale. [0017] L'invention concerne également une aube ainsi définie, dans laquelle le premier circuit en serpentin comporte un premier conduit amont, un premier conduit médian et un premier conduit terminal et dans laquelle le second circuit en serpentin comporte un second conduit amont, un second conduit médian, un second conduit aval, et un second conduit terminal, et dans laquelle ces conduits sont longilignes. [0018] L'invention concerne également une aube ainsi définie, dans laquelle les conduits du premier circuit en serpentin s'étendent du côté intrados en longeant une paroi d'intrados de la pale, et dans laquelle les conduits du second circuit en serpentin s'étendent du côté extrados en longeant une paroi d'extrados de la pale. [0019] L'invention concerne également une aube ainsi définie, dans laquelle l'aube comporte une paroi d'intrados comportant des trous de refroidissement alimentés en air par le premier circuit en serpentin. 3 100201 L'invention concerne également une aube ainsi définie, obtenue par fonderie d'un matériau métallique. [0021] L'invention concerne également une aube ainsi définie, obtenue par fabrication additive. [0022] L'invention concerne également une aube ainsi définie, constituée de matériau composite ou céramique. [0023] L'invention concerne également une aube ainsi définie, comprenant un bord d'attaque et un circuit amont dédié au refroidissement de ce bord d'attaque. [0024] L'invention concerne également une turbine comprenant une aube ainsi définie. [0025] L'invention concerne également une turbomachine d'aéronef comprenant une turbine ainsi définie. Brève description des dessins [00261 [fig.1] est une vue en coupe d'un turboréacteur connu ; [00271 [fig.21 est une vue externe en perspective d'une aube selon l'invention ; [00281 [fig.3] est une représentation de l'intérieur de l'aube selon l'invention selon trois plans de sections situés au niveau de sa base et de sa région médiane ainsi que de son sommet et montrant ses circuits internes de refroidissement. [00291 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [00301 L'aube selon l'invention, repérée par 11 sur la figure 2, comprend un pied P par lequel elle est fixée dans une alvéole d'un disque de rotor, et une pale 12 portée par ce pied P, avec une plateforme 13 raccordant le pied P à la pale 12. Cette aube 11 qui est creuse comporte des circuits internes dans lesquels circule de l'air de refroidissement admis par des embouchures situées à une face radialement interne 14 du pied P. [00311 Dans l'exemple des figures, cette aube est une pièce monobloc issue de fonderie d'un matériau métallique, qui est obtenue en utilisant un ensemble de noyaux pour délimiter ses conduits internes de refroidissement, ces noyaux étant retirés après coulée et refroidissement par exemple avec un processus d'attaque chimique. Elle peut aussi être constituée de matériaux composite ou céramique ou encore être obtenue par fabrication additive. [00321 La pale 12 s'étend selon un axe dit d'envergure EV sensiblement perpendiculaire à un axe AX de rotation du rotor portant l'aube, qui est l'axe longitudinal du moteur. Elle comprend un bord d'attaque 16 sensiblement parallèle à la direction d'envergure EV et situé à l'amont AM ou avant de l'aube, par rapport à la direction générale de circulation des gaz dans le moteur. Elle comporte un bord de fuite 17 sensiblement parallèle au bord d'attaque 16 et espacé de celui-ci le long de l'axe AX pour être à l'aval AV ou à arrière de l'aube. Elle comprend également un sommet S sensiblement parallèle à la base B et espacé de celle-ci selon la direction d'envergure EV. [0033] Les deux parois principales de cette aube sont sa paroi d'intrados 19, visible dans la figure 2, et sa paroi d'extrados 21, qui sont espacées l'une de l'autre tout en étant réunies au niveau du bord d'attaque 16, au niveau du bord de fuite 17, et dans la région du sommet S qui comporte une paroi orientée perpendiculairement à la direction d'envergure EV. [0034] Le bord d'attaque 16 est bombé et comporte des trous de refroidissement 22 traversant sa paroi. Ces trous 22 sont alimentés en air par un circuit amont A de l'aube, représenté schématiquement sur la figure 3. Cette figure 3 est une représentation de l'intérieur de l'aube de la figure 2 sous forme de trois sections dans des plans normaux à la direction d'envergure EV. La première section I-I est située à proximité de la base B, la deuxième section II-II est située sensiblement à mi-distance entre la base B et le sommet S, et la troisième section est située à proximité du sommet S. [0035] Comme visible sur cette figure 3, le circuit amont A comporte principalement un conduit Al longeant la face interne du bord d'attaque en étant alimenté en air par une embouchure située au niveau de la face interne 14 de l'aube. L'air acheminé par ce conduit Al est évacué par les trous 22 pour former un film d'air de refroidissement à la face externe du bord d'attaque. [0036] La paroi d'intrados comporte une première série de trous 23, et une deuxième série de trous 24 qui la traversent et sont alimentés par un premier circuit en serpentin Ti de façon former un film à la face externe de l'intrados 19 afin de la protéger thcriniquement. La première série de trous 23 s'étend selon la direction d'envergure en étant située en aval du bord d'attaque, et la deuxième série de trous 24 est située en aval de la première série et en amont du bord de fuite 17. [0037] Les trous 22, 23, 24 qui sont optionnels peuvent être cylindriques, oblongs, avec des formes évasées ou autres, avec des tailles appropriées et en étant séparés les uns des autres d'un pas approprié. Ils sont optimisés pour générer un film d'air externe optimal en terme de refroidissement. [0038] Le premier circuit en serpentin Ti comporte un conduit amont CAL un conduit médian CM1 raccordé au conduit amont CA1 par une portion coudée située au niveau du sommet S, et un conduit terminal CTI raccordé au conduit médian par une portion coudée située à proximité de la base B. Ces trois conduits CA1, CM1 et CTI s'étendent selon la direction d'envergure EV, ils longent la face interne de la paroi d'intrados pour la refroidir en étant délimités par des parois internes de l'aube. Le conduit amont CA1 est situé immédiatement en aval du conduit AI du circuit amont A, le conduit médian CMI est situé immédiatement en aval du conduit amont CA1, et le conduit terminal CTI est situé immédiatement en aval du conduit médian CM1 c'est-à-dire à proximité du bord de fuite. [0039] Le conduit amont CAI est alimenté en air par une embouchure située au niveau de la face radialcment interne 14 de l'aube, la direction radiale correspondant à la direction d'envergure EV lorsque l'aube est portée par le disque. L'air circule ainsi dans cette aube depuis la base vers le sommet, et optionnellement il alimente la première série de trous 23. Le conduit médian CM1 est alimenté en air par le conduit amont CA1 via la portion coudée, de sorte que l'air y circule depuis le sommet S vers la base B, et optionnellement il alimente en air la deuxième série de trous 24. Le conduit terminal CT1 est alimenté en air par le conduit médian CM1 via la portion coudée correspondante, de sorte que l'air y circule depuis la base B vers le sommet S. [0040] D'une manière analogue, la paroi d'extrados peut comporter des trous de refroi- dissement qui la traversent pour former un film de refroidissement à sa face radialement externe, ces trous étant alimentés par un second circuit en serpentin T2. [0041] Ce second circuit en serpentin T2 comporte un conduit amont CA2, un conduit médian CM2 raccordé au conduit amont CA2 par une portion coudée située au niveau du sommet S. un conduit aval CV2 raccordé au conduit médian CM2 par une portion coudée située au niveau de la base B, et un conduit terminal CT2 raccordé au conduit aval CV2 par une portion coudée située à proximité du sommet S. Ces quatre conduits CA2, CM2, CV2 et CT2 s'étendent selon la direction d'envergure EV, ils longent la face interne de la paroi d'extrados pour la refroidir en étant délimités par des parois internes de l'aube. [0042] Le conduit amont CA2 est situé immédiatement en aval du conduit Al du circuit amont A, le conduit médian CM2 est situé immédiatement en aval du conduit amont CA2, le conduit aval CV2 est situé immédiatement en aval du conduit médian CM2, et le conduit terminal CTI est situé immédiatement en aval du conduit aval CV2 c'est-à-dire à proximité du bord de fuite. [0043] Le conduit amont CA2 est alimenté en air par une embouchure située au niveau de la face radialement interne 14 du pied de l'aube, de sorte que l'air y circule depuis la base vers le sommet. Le conduit médian CM2 est alimenté en air par le conduit amont CA2 via la portion coudée, de sorte que l'air y circule depuis le sommet S vers la base B. Le conduit aval CV2 est alimenté en ah- par le conduit médian CM2 via une autre portion coudée, de sorte que l'air y circule depuis la base B vers le sommet S. Le conduit terminal CT2 est alimenté en air par le conduit aval CV2 via la portion coudée correspondante, de sorte que l'air y circule depuis le sommet vers la base B. [0044] En plus d'alimenter les trous de refroidissement et de refroidir l'intrados et l'extrados, les deux circuits en serpentins Ti et T2 assurent également l'alimentation en air de refroidissement du bord de fuite. [0045] Le bord de fuite 17 qui est effilé comporte une série d'évents de refroidissement, de faibles longueurs qui s'étendent parallèlement à la direction d'envergure EV, en étant espacés et dans le prolongement les uns des autres selon la direction d'envergure EV, 6 c'est-à-dire la direction radiale lorsque l'aube est portée par un disque s'étendant selon un axe principal. Ils sont situés à faible distance du bord de fuite proprement dit. [0046] Ces évents se décomposent en d'une part des évents radialement internes 26 situés du côté de la base de la pale entre la première section I-I et la deuxième section II-II, et d'autre part des évents radialement externes 27 situés entre la deuxième section II-II et la troisième section Les évents radialement internes 26 sont ainsi les plus proches de la base B alors que les évents radialement externes sont les plus proches du sommet S. Chaque évent souffle de l'air en direction du bord de fuite 17 qui est pourvu de nervures externes canalisant cet air parallèlement à l'axe AX. [0047] Les évents radialement internes 26 sont alimentés en air par le conduit terminal CT1 du premier circuit en serpentin Tl alors que les évents radialement externes 27 sont alimentés en air par le conduit terminal CT2 du second circuit en serpentin T2. [0048] Comme visible sur la figure 3, le conduit terminal CT1 du premier circuit en serpentin Tl s'étend sur sensiblement la moitié de la hauteur de l'aube, depuis sa base B jusqu'au niveau de la deuxième section II-II. Ce conduit terminal CT1 alimente en air de refroidissement des évents radialement internes 26 du bord de fuite. [0049] De manière analogue, le conduit terminal CT2 du second circuit en serpentin T2 s'étend lui aussi sur sensiblement la moitié de la hauteur d'aube, depuis le sommet S jusqu'à la deuxième section II-II. Comme visible sur la figure 3, le conduit terminal CT2 du second circuit en serpentin T2 s'étend dans le prolongement du conduit terminal CT1 du premier circuit en serpentin Tl. [0050] Ces deux conduits terminaux CT1 et CT2 sont ainsi situés dans le prolongement l'un de l'autre en s'étendant selon la direction d'envergure, et en longeant les évents 26 et 27 qu'ils alimentent. Ils sont séparés l'un de l'autre par une cloison 28 délimitant leurs extrémités mutuelles situées en vis-à-vis. Comme visible sur la figure 3, cette cloison 28 est située au niveau de la section II-H, c'est-à-dire à mi-hauteur de l'aube dans cet exemple. [0051] La cloison 28 peut être située à une autre position, son positionnement étant conditionné par le dimensionnement de l'aube proprement dite, c'est-à-dire notamment par la répartition souhaitée de débit d'air circulant dans le premier circuit en serpentin et dans le second. Cette cloison 28 pourrait ainsi aussi bien être située à un tiers ou à deux tiers de la hauteur de l'aube selon le cas de figure envisagé. [0052] La valeur et la répartition des débits d'air dans le premier circuit en serpentin Tl et dans le second circuit T2 est également conditionnée par la taille des évents de refroidissement du bord de fuite, c'est-à-dire par leur section de passage qui constitue un autre paramètre de dimensionnement. [0053] Dans l'exemple des figures, le premier circuit en serpentin Ti comporte trois conduits et le second en comporte quatre. D'autres nombres de conduits sont envi- 7 sageables pour ces circuits en serpentin, dès lors que l'un des circuits en serpentin a un nombre pair de conduits alors que l'autre a un nombre impair de conduits. Cette différence de parité des nombres de conduits du premier et du second circuits en serpentins permet de constituer des conduits terminaux situés en vis-à-vis l'un de l'autre pour assurer une alimentation de l'ensemble des évents du bord de fuite. Plus concrêtement, le circuit en serpentin ayant un nombre de conduits (hors conduit terminal) pair alimente les évents radialcment internes alors que le circuit en serpentin ayant un nombre de conduits impair (hors conduit terminal) alimente les évents radialement externes. [0054] D'une manière générale, l'aube selon l'invention comporte un nombre d'embouchure d'alimentations au niveau de la face radialement interne 14 de son pied pouvant être limité à trois, à savoir un pour le circuit amont A, un pour le premier circuit en serpentin Tl, et un autre pour le second circuit en serpentin T2, cc qui simplifie la fabrication du pied P. Eventuellement, il est possible d'ajouter un complément d'air de refroidissement par le pied au droit des conduits CM1 et CM2 pour compenser l'air émis par les trous de refroidissement lorsqu'ils sont présents. 8 REVENDICATIONS[Revendication 1] Aube (11) de turbine d'une turbomachine, comprenant un pied (P) portant une pale (12) s'étendant selon une direction d'envergure (EV), cette pale (12) comprenant un bord de fuite (17) pourvu d'évents (26, 27) de refroidissement, ainsi qu'un premier circuit en serpentin (T1) et un second circuit en serpentin (T2), et dans laquelle : -chaque circuit en serpentin (T1, T2) comporte plusieurs conduits (CA1, CM1, CT1, CA2, CM2, CV2, CT2) s'étendant selon la direction d'envergure (EV) en étant raccordés les uns aux autres par des portions coudées ; -chaque circuit en serpentin (Tl, T2) est alimenté en air par une embouchure située au niveau du pied (P) via son conduit (CA1, CA2) qui est le plus éloigné du bord de fuite (17) ; -les évents (26. 27) sont alimentés en air de refroidissement par le premier circuit en serpentin (T1) et par le second ch-cuit en serpentin (T2). [Revendication 2] Aube selon la revendication 1, dans laquelle le premier circuit en serpentin (Ti) alimente en air les évents (26) les plus proches du pied (P), et dans laquelle le second circuit en serpentin (T2) alimente en air les autres évents (27). [Revendication 3] Aube selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le second circuit en serpentin (T2) alimente en air les évents (26) les plus proches d'une partie de sommet (S) de la pale (12), et dans laquelle le premier circuit en serpentin (Ti) alimente en ah- les autres évents (27). [Revendication 4] Aube selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le premier circuit en serpentin (T1) a un nombre de conduits pair et le second circuit en serpentin (T2) a un nombre de conduits impair, ou inversement, dans laquelle le premier et le second circuit en serpentin (Ti, T2) sont terminés respectivement par un premier et par un second conduit terminal (CT1, CT2), ces deux conduits terminaux (CT1. CT2) longeant le bord de fuite (17) en s'étendant dans le prolongement l'un de l'autre, et en étant séparés l'un de l'autre par une cloison interne (28) de la pale (12). [Revendication 5] Aube selon la revendication 4, dans laquelle le premier circuit en serpentin (Ti) comporte un premier conduit amont (CA1), un premier conduit médian (CM1) et un premier conduit terminal (CT1) et dans laquelle le second circuit en serpentin (T2) comporte un second conduit 9 [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] amont (CA2), un second conduit médian (CM2), un second conduit aval (CV2), et un second conduit terminal (CT2), et dans laquelle ces conduits sont longilignes. Aube selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les conduits (CA1, CM1, CT1) du premier circuit en serpentin (Ti) s'étendent du côté intrados en longeant une paroi d'intrados (19) de la pale (12), et dans laquelle les conduits (CA2, CM2, CV2, CT2) du second circuit en serpentin (T2) s'étendent du côté extrados en longant une paroi d'extrados (21) de la pale (12). Aube selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'aube comporte une paroi d'intrados (19) comportant des trous (23, 24) de refroidissement alimentés en air par le premier circuit en serpentin (Tl). Aube selon l'une des revendications précédentes, comprenant un bord d'attaque (16) et un circuit amont (A) dédié au refroidissement de ce bord d'attaque (16). Aube selon l'une des revendications 1 à 8, obtenue par fabrication additive. Aube selon l'une des revendications 1 à 8, constituée de matériau composite ou céramique. Turbine comprenant une aube selon l'une des revendications précédentes. Turbomachine d'aéronef comprenant une turbine selon la revendication précédente.