Brevet FR3092137A1 — publié le 20200731

Description Titre de l'invention : Secteur de stator de turbomachine à zones soumises à des contraintes élevées Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte au domaine général des redresseurs pour com- presseur d'une turbomachine aéronautique telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Technique antérieure [0002] Un compresseur de turbomachine se compose de plusieurs étages de compression formés chacun d'une rangée annulaire d'pales montées sur un arbre de rotor et d'un redresseur formé d'une pluralité de pales montées radialement sur un carter annulaire externe de la turbomachine. [0003] Un redresseur de compresseur est généralement sectorisé, c'est-à-dire qu'il est constitué de plusieurs secteurs angulaires mis bout à bout circonférentiellement autour de l'axe longitudinal du compresseur. Plus précisément, comme illustré sur la figure 1, chaque secteur de redresseur 10 comporte une virole interne 11 et une virole externe 12 disposées de manière coaxiale l'une à l'intérieur de l'autre, et plusieurs pales ou pales 13 s'étendant radialement entre les viroles et raccordées à celles-ci par leurs extrémités radiales respectivement 13a et 13b. Par ailleurs, à chacune de ses extrémités axiales, la virole externe 12 de chaque secteur de redresseur 10 comporte respectivement des pattes 121 et 122 en saillie pour le montage du secteur sur le carter externe de la turbomachine. [0004] En fonctionnement, un tel secteur de redresseur est soumis à de nombreuses solli- citations mécaniques, aussi bien statiques que vibratoires. En particulier, de fortes réponses vibratoires sont observées sur les secteurs de redresseur, ces dernières pouvant entrainer dans le temps des endommagements du secteur (criques, ruptures, etc.). Ces sollicitations mécaniques sont essentiellement supportées au niveau des zones de jonctions entre les bords d'attaque et de fuite des pales et les viroles interne et externe correspondant aux zones Z1, Z,, Z3 et. Z4 représentées sur la figure 2. En effet, ces zones de jonction correspondent à un changement de volume de matière brutale entre des parties massives et des parties fines dans le secteur. Cela induit une rigidité au niveau des zones de jonction qui deviennent alors des zones de fortes contraintes mécaniques pouvant conduire à des endommagements voire une destruction du secteur de redresseur. [0005] Une solution pour réduire les contraintes mécaniques au niveau des jonctions entres les bords d'attaque et de fuites des pales et la virole externe d'un secteur de redresseur 2 est décrite dans le document U52007172349. La solution évoquée dans ce document n'est toutefois pas pleinement satisfaisante. En particulier, au vibratoire, cette solution n'apporte pas suffisamment d'amortissement au niveau des zones de jonction entre les des bords d'attaque et de fuite des pales et les viroles interne et externe. Exposé de l'invention [0006] La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un secteur de stator de turbine comprenant une pluralité de pales s'étendant suivant une direction radiale entre une première extrémité et une deuxième extrémité et suivant une direction axiale entre un bord d'attaque et un bord de fuite, ledit secteur comprenant en outre une virole interne reliée à la première extrémité des pales et une virole externe reliée à la deuxième extrémité des pales, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une portion annulaire formant tout ou partie de la virole interne ou de la virole externe, ladite au moins une portion annulaire comportant une première cloison présente au niveau de la jonction avec la première ou deuxième extrémité des pales et une deuxième cloison maintenue espacée de la première cloison suivant la direction radiale par une structure tridimensionnelle comportant une pluralité d'évidements. [0007] En apportant une souplesse supplémentaire, la portion annulaire permet d'améliorer significativement la tenue mécanique du secteur de stator au niveau des jonctions entre les extrémités des pales et les viroles interne et externe. Les contraintes statiques et dynamiques importantes sont ainsi mieux compensées et/ou absorbées dans ces zones de jonction où les contraintes sont importantes. [0008] La ou les portions annulaires peuvent former tout ou partie de la virole interne ou de la virole externe suivant la direction axiale et/ou suivant la direction circonférentielle du secteur de stator de turbine. [0009] Selon une caractéristique particulière du secteur de stator de l'invention, la première cloison présente une épaisseur inférieure à I mm. On confère ainsi une plus grande souplesse au niveau la jonction avec la première ou la deuxième extrémité des pales. [0010] Selon une autre caractéristique particulière du secteur de stator de l'invention, la structure tridimensionnelle est constituée d'un réseau de croisillons ou d'alvéoles. [0011] Selon une autre caractéristique particulière du secteur de stator de l'invention, l'extrémité aval de la virole externe est formée par une portion annulaire, la première cloison de la portion annulaire étant reliée à la deuxième extrémité des pales au niveau du bord de fuite desdites pales. [0012] Selon une autre caractéristique particulière du secteur de stator de l'invention, la virole interne est entièrement formée par une portion annulaire, la première cloison de la portion annulaire étant reliée à la première extrémité des pales. 3 100131 L'invention concerne également un stator de turbomachine, et notamment un re- dresseur de turbomachine, formé d'une pluralité de secteurs tels que définis précédemment, le stator ou redresseur faisant partie d'un compresseur de turbomachine. [0014] L'invention concerne aussi une turbomachine équipée d'un compresseur selon l' invention. [0015] L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'un secteur de stator de turbomachine comprenant la réalisation d'une pluralité de pales s'étendant suivant une direction radiale entre une première extrémité et une deuxième extrémité et suivant une direction axiale entre un bord d'attaque et un bord de fuite, d'une virole interne reliée à la première extrémité des pales et d'une virole externe reliée à la deuxième extrémité des pales, caractérisé en ce que le procédé comprend en outre la réalisation par fabrication additive d'au moins une portion annulaire sur tout ou partie d'au moins la virole interne ou la virole externe suivant la direction axiale, ladite au moins portion annulaire comprenant une première cloison présente au niveau de la jonction avec la première ou deuxième extrémité des pales, une deuxième cloison maintenue espacée de la première cloison suivant la direction radiale par une structure tridimensionnelle comportant une pluralité d'évidements. [0016] Selon une caractéristique particulière du procédé de l'invention, la première cloison présente une épaisseur inférieure à 1 mm. [0017] Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l'invention, la structure tri- dimensionnelle est constituée d'un réseau de croisillons ou d'alvéoles. [0018] Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l'invention, une portion annulaire est formée à l'extrémité aval de la virole externe, la première cloison de la portion annulaire étant reliée à la deuxième extrémité des pales au niveau du bord de fuite desdites pales. [0019] Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l'invention, une portion annulaire est formée sur toute la virole interne, la première cloison de la portion annulaire étant reliée à la première extrémité des pales. Brève description des dessins [0020] [fig.1] La figure 1 est une vue schématique en perspective d'un secteur de redresseur selon l'art antérieur, [0021] [fig.2] La figure 2 est une vue de côté du secteur de redresseur de la figure 1, [0022] [fig.3] La figure 3 est une vue schématique en perspective d'un secteur de stator de turbine conformément à un mode de réalisation de l'invention, 100231 Ifig.41 La figure 4 est une vue schématique en perspective d'un secteur de stator de turbine conformément à un mode de réalisation de l'invention, [0024] [fig.5] La figure 5 est une vue de côté du secteur de redresseur des figures 3 et 4, [0025] [fig.6] La figure 6 est une vue schématique en perspective d'un secteur de stator de turbine conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, [0026] [fig.7] La figure 7 est une vue schématique en perspective d'un secteur de stator de turbine conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, [0027] [fig.8] La figure 8 est une vue de côté du secteur de redresseur des figures 6 et 7. Description des modes de réalisation [0028] Les figures 3, 4 et 5 illustrent un secteur de stator de turbine 100 conformément à un mode de réalisation de l'invention. Le secteur de stator 100 qui est destiné ici à former une partie d'un redresseur haute pression dans une turbine comprend une pluralité de pales 110 s'étendant suivant une direction radiale DR entre une première extrémité 1 10a et une deuxième extrémité 110b et suivant une direction axiale DA entre un bord d'attaque 111 et un bord de fuite 112. Lc secteur 100 comprend en outre une virole interne 120 reliée à la première extrémité 110a des pales 110 et une virole externe 130 reliée à la deuxième extrémité 110b des pales 110. La virole externe 130 comporte des pattes 131 et 132 en saillie et décalées suivant la direction axiale DA pour le montage du secteur sur un carter externe de turbine. [0029] Conformément à l'invention, le secteur de stator 100 comprend une portion annulaire 140 formant ici le bord aval de la virole externe 130 suivant la direction axiale DA situé au niveau de la jonction avec le bord de fuite 112 des pales 110. La portion annulaire 140 s'étend suivant la direction axiale DA sur une largeur D141, inférieure à la largeur totale de la virole externe 130 (figures 3 et 5) et sur toute la longueur circonférentielle L11, de la virole externe 130 (figure 4). La portion annulaire 140 comporte une première cloison 141 présente au niveau de la jonction avec la deuxième extrémité 1106 des pales 110 du côté du bord de fuite 112 et une deuxième cloison 142 maintenue espacée de la première cloison 141 suivant la direction radiale D1 par une structure tridimensionnelle 143 comportant une pluralité d'évidements 1430 (figure 5). Dans l'exemple décrit ici, la structure tridimensionnelle 142 est constituée d'un réseau de croisillons 1431 délimitant entre eux les évidements 1430. [0030] La première cloison 141, qui est située au niveau de la zone de jonction Zi, entre les bords de fuite 112 des pales 110 et la virole externe 130 (figure 5), présente une faible épaisseur E141 afin d'apporter de la souplesse dans cette zone de contrainte. La première cloison 141 présente de préférence une épaisseur inférieure à 1 mm, plus préférentiellement une épaisseur d'environ 0,2 mm. Grâcc à sa géométrie, la structure tridimensionnelle 143 apporte également une souplesse supplémentaire au niveau de zone de jonction Z'. [0031] En apportant une souplesse supplémentaire, la portion 140 permet d'améliorer signi- ficativement la tenue mécanique du secteur de stator 100 au niveau de sa jonction entre les bords de fuite 112 des pales 110 et la virole externe 130. Les contraintes statiques et dynamiques importantes sont ainsi mieux compensées et/ou absorbées dans cette zone de jonction où les contraintes sont importantes. [0032] Une portion annulaire (non représentée sur les figures 3 à 5) similaire à la portion annulaire 140 déjà décrite peut être également utilisée pour former le bord amont de la virole externe 130 suivant la direction axiale DA situé au niveau de la jonction avec le bord d'attaque 111 des pales 110. En fonction des zones sensibles identifiées, la virole externe de chaque secteur de stator peut être munie d'une portion annulaire à son bord amont ou aval, ou de deux portions annulaires formant respectivement le bord amont et le bord aval de la virole externe. [0033] Les figures 6 à 8 illustrent un autre mode de réalisation d'un secteur de stator de l'invention qui diffère du secteur de stator 100 décrit ci-avant en ce qu'une portion annulaire d'assouplissement est présente sur la virole interne du secteur. [0034] Plus précisément, le secteur de stator 200 qui est destiné ici à former une partie d'un redresseur haute pression dans une turbine comprend une pluralité de pales ou d'pales 210 s'étendant suivant une direction radiale DR entre une première extrémité 210a et une deuxième extrémité 210b et suivant une direction axiale DA entre un bord d'attaque 211 et un bord de fuite 212. Le secteur 200 comprend en outre une virole interne 220 relié à la première extrémité 210a des pales 210 et une virole externe 230 reliée à la deuxième extrémité 210b des pales 210. La virole externe 230 comporte des pattes 231 et 232 en saillie et décalées suivant la direction axiale D4 pour le montage du secteur sur un carter externe de turbine. [0035] Conformément à l'invention, le secteur de stator 200 comprend une portion annulaire 240 formant ici toute la virole interne 220. La portion annulaire 240 s'étend suivant la direction axiale D, sur une largeur D240 correspondant à la largeur totale de la virole interne 230 (figures 6 et 8) et sur toute la longueur circonférentielle L220 de la virole interne 220 (figure 4). La portion annulaire 240 comporte une première cloison 241 présente au niveau de la jonction avec la deuxième extrémité 210b des pales 210 et une deuxième cloison 242 maintenue espacée de la première cloison 241 suivant la direction radiale DR par une structure tridimensionnelle 243 comportant une pluralité 6 d'évidements 2430 (figure 8). Dans l'exemple décrit ici, la structure tridimensionnelle 242 est constituée d'un réseau de croisillons 2431 délimitant entre eux les évidements 2430. [0036] La première cloison 241, qui est située à la fois au niveau de la zone de jonction 42 entre les bords d'attaque 211 des pales 210 et la virole interne 220 et au niveau de la zone de jonction Zn entre les bords de fuite 212 des pales 210 et la virole interne 220 (figure 8), présente une faible épaisseur E241 afin d'apporter de la souplesse dans ces zones de contrainte. La première cloison 241 présente de préférence une épaisseur inférieure à 1 mm, plus préférentiellement une épaisseur d'environ 0,2 mm. Grâce à sa géométrie, la structure tridimensionnelle 243 apporte également une souplesse supplémentaire au niveau des zones de jonction 42 et 43. [0037] En apportant une souplesse supplémentaire, la portion 240 permet d'améliorer signi- ficativement la tenue mécanique du secteur de stator 200 au niveau de sa jonction entre les bords d'attaque 211 et de fuite 212 des pales 110, d'une part, et la virole interne 220, d'autre part. Les contraintes statiques et dynamiques importantes sont ainsi mieux compensées et/ou absorbées dans ces zones de jonction où les contraintes sont importantes. [0038] Par ailleurs, en outre d'une virole interne formée par une portion annulaire comme la portion 204 et en fonction des zones sensibles identifiées, la virole externe de chaque secteur de stator peut être munie d'une portion annulaire similaire à la portion annulaire 140 décrite précédemment à son bord amont ou aval, ou de deux portions annulaires formant respectivement le bord amont et le bord aval de la virole externe. [0039] La ou les portions annulaires de l'invention peuvent former tout ou partie de la virole interne ou de la virole externe suivant la direction axiale et/ou suivant la direction circonférentielle d'un secteur de stator. [0040] La ou les portions annulaires de l'invention sont réalisées par fabrication additive. En effet, la réalisation de cloisons ayant une épaisseur inférieure à 1 mm au niveau des jonctions avec les bords d'attaque et/ou de fuite des pales comme les cloisons 141 et 241 décrites ci-avant par les techniques classiques d'usinage s'avère difficile à maîtriser. En effet, en raison des tolérances de fabrication liées à l'usinage, l'épaisseur de ces cloisons peut être au final trop importante pour conférer la souplesse nécessaire dans les zones concernées ou alors trop fine pour assurer une bonne résistance mécanique (déformation, plastification, etc.) du secteur. La fabrication additive offre une plus grande précision dimensionnelle qui permet un bon contrôle de l'épaisseur des cloisons sur l'ensemble des portions annulaires. La fabrication additive peut être utilisée pour réaliser seulement les portions annulaires sur les autres parties d'un secteur de stator qui sont réalisées avec les techniques conventionnelles telles que l'usinage ou pour réaliser l'ensemble du secteur de stator. Pour la fabrication additive, 7 on peut notamment utiliser le procédé de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre. [0041] Par ailleurs, dans les exemples décrits ci-avant, la structure tridimensionnelle des portions annulaires est constituée d'un réseau de croisillons. Toutefois, la structure tridimensionnelle peut présenter d'autres géométries que des croisillons. Toute géométrie tridimensionnelle permettant d'apporter de la souplesse mécanique peut être envisagée. Par exemple, la structure dimensionnelle peut présenter un réseau d'alvéoles à la place d'un réseau de croisillons. [0042] En outre d'apporter une souplesse supplémentaire, la structure tridimensionnelle permet grâce à son réseau d'évidements de réduire avantageusement les gradients de contraintes créés entre la ou les portions annulaires et les pales lors de la construction de la pièce en fabrication additive. En effet, bien qu'atténués par le traitement thermique, les gradients induits par la proximité de parties fines avec des parties massives, sont néfastes pour la tenue mécanique de la pièce car ils sont situés dans des zones à plus forte sollicitation. 8