Brevet FR3096727A1 — publié le 20201204

Description Titre de l'invention : Aube de turbine dotée d'une cavité de fragilisation d'une section frangible Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention concerne les aubes de turbine d'une turbomachine et, en par- ticulier, un agencement d'échasse d'une aube de turbine. L'échasse d'une aube est une partie de support de la pale de l'aube qui s'étend radialement entre une partie d'attache inférieure de l'aube appelée "pied de sapin" et une plateforme de l'aube. [0002] Plus particulièrement, l'invention concerne les aubes de turbine d'une turbomachine à turbine libre. [0003] L'invention concerne également une turbomachine comprenant de telles aubes. Etat de la technique antérieur [0004] Classiquement, tel qu'illustré à la figure 1, une turbomachine à turbine libre comporte un générateur de gaz 1, comprenant au moins un compresseur qui comporte un ou plusieurs étages de compression 2, une chambre de combustion 3, et une turbine dans laquelle les gaz chauds sous pression issus de la chambre de combustion se détendent et dans laquelle l'énergie cinétique et thermique des gaz est transformée en énergie mécanique pour entraîner en rotation un arbre qui relie la turbine au compresseur, afin d'entraîner aussi le compresseur. Une turbine 4, dite turbine libre, qui comporte un ou plusieurs étages de turbine, est disposée en aval de la turbine du générateur de gaz 1, et découplée mécaniquement de cette dernière. La turbine libre 4 est entraînée en rotation par les gaz issus du générateur de gaz 1. [0005] Dans les turbomoteurs à turbine libre, utilisés par exemple, mais non exclusivement, dans les ensembles propulsifs d'hélicoptère, la turbine libre est mécaniquement indépendante du rotor de l'hélicoptère, un réducteur étant interposé entre la ligne d'arbre et le rotor principal. [0006] En cas de rupture de la ligne de transmission de puissance, par exemple en cas de rupture de la ligne d'arbre ou de la ligne de transmission reliée au réducteur, la turbine peut se trouver dans une situation de survitesse en raison de la disparition du couple résistif qui s'applique sur les aubes de la turbine. [0007] Cette situation de survitesse peut être particulièrement dangereuse, conduire à la rupture d'au moins un disque tournant qui supporte les aubes d'un étage de la turbine, sous l'effet de la force centrifuge, et provoquer la libération de débris à très haute énergie qui ne peuvent être contenus par le blindage prévu sur le moteur. [0008] 11 est donc nécessaire de prévoir dans les turbines des systèmes de protection qui empêchent la survitesse. 2 [0009] Il a déjà été proposé, dans l'état de la technique, des systèmes de protection contre la survitessc, connus sous le nom de « blade-shedding » dans la terminologie anglosaxone, qui consistent à créer dans les aubes une zone frangihlc de sorte qu'elles se rompent à une vitesse dc rotation prédéterminée évitant tout risque dc rupture du disque qui serait causée par les efforts centrifuges. On pourra à cet égard se référer au document GB 881, 850 qui décrit une turbine destinée à l'entraincment d'accessoires dans laquelle des perçages sont pratiqués à la hase des pales des aubes. [0010] Ainsi, en cas de risque de survitesse, après rupture des aubes, la turbine, ayant perdu ses profils aérodynamiques, ralentit naturellement, et peut s'arrêter dc tourner. Le ralentissement de la turbine libre pour revenir à des vitesses acceptables évite de la sorte le risque d'une rupture du disque causée par les efforts centrifuges. [0011] Il a à cet égard été proposé d'usiner le bord d'attaque du pied de l'aube de la turbine afin d'ajuster la section du col de l'aube pour que celle-ci se rompe à une vitesse souhaitée, tout en conservant une longueur de contact suffisante entre le pied de sapin de l'aube et l'alvéole correspondante du disque qui reçoit le pied de sapin pour garantir la tenue mécanique de l'attache de l'aube sur le disque. [0012] On a représenté sur les figures 2 et 3 une aube dotée d'une section frangihlc destinée à se rompre pour empêcher la survitesse. [0013] Comme on le voit, l'échasse 4 de l'aube, qui s'étend entre le pied de sapin 6 et une plateforme qui forme la hase d'un profil aérodynamique 5 ou pale de l'aube, comporte un bord d'attaque concave 7 permettant de former dans l'échasse une zone frangible de section minimale apte à permettre à l'aube de se détacher du disque à partir d'une vitesse de seuil de protection. [0014] On a représenté sur la figure 4 la contrainte radiale qui s'applique dans l'échasse de l'aube sous l'effet des efforts thermomécaniques. Comme on le voit, la création d'un bord d'attaque concave 7 réduisant localement la section de l'échasse engendre l'apparition d'une zone Z de contrainte maximale sur le bord d'attaque, dans les coins de la section réduite. Cette augmentation de la contrainte maximale s'accompagne de l'apparition d'un moment supplémentaire en raison du décentrage du profil aérodynamique par rapport à la section minimale du col de l'échasse. [0015] Il a été constaté que cette contrainte maximale conditionne la durée de vie en fatigue de l'aube de sorte que la réalisation de cette zone concave dans le bord d'attaque pour fragiliser localement l'aube requiert des travaux de conception relativement complexes afin de définir la valeur de seuil à partir de laquelle les échasses se rompent tout en limitant l'augmentation de la contrainte maximale nuisible à la durée de vie en fatigue de l'aube. [0016] Par ailleurs, l'utilisation de matériaux ayant une résistance accrue pour la réalisation des aubes engendre, pour une même section fi-angible, une augmentation de la vitesse 3 de seuil à partir de laquelle les échasses se rompent. [0017] La réalisation d'une zone concave de dimensions accrues dans le bord d'attaque de l'aube de manière à diminuer localement la section dc l'échasse de l'aube ne permettrait pas de réduire la valeur de vitesse limite de rupture de l'échasse sans augmenter de manière rédhibitoire la contrainte maximale sur la section minimale de l'échasse et en conséquence réduire la durée de vie en fatigue de l'aube. Il est donc souhaitable de pouvoir réduire la valeur de vitesse de rupture de l'échasse lorsque l'on utilise un matériau de résistance accrue pour la réalisation de l'aube. Exposé de l'invention [0018] Au vu de ce qui précède, l'invention vise à proposer une aube de turbine dotée d'une section frangihlc permettant dc régler la valeur de vitesse dc rupture dc l'aube sans augmentation dc la contrainte maximale dans l'aube. [0019] L'invention a donc pour objet une aube dc turbine comprenant une pale et un pied, le pied comprenant une échasse présentant des flancs latéraux à profil curviligne, ladite échasse comprenant une zone frangible adaptée pour subir une rupture de l'échasse si des efforts radiaux supérieurs à un seuil sont exercés sur l'aube, en particulcr des efforts centrifuges lors d'un état de survitesse de la turbine. [0020] La zone frangihlc comprend au moins une cavité oblongue de frangibilité pratiquée sur au moins l'un des flancs latéraux dc l'échasse, ladite cavité oblongue s'étendant dans une direction axiale de l'échasse selon un axe longitudinal parallèle à ou compris dans un plan de section minimale dans lequel se situe une section transversale minimale dc l'échasse. [0021] Cette cavité permet ainsi de fragiliser la section frangihlc de l'échasse en augmentant la contrainte moyenne qui s'exerce dans le col de l'échasse, sans augmenter de manière significative la contrainte maximale engendrée localement sous l'action des efforts thermomécaniques. Elle permet par conséquent d'optimiser le réglage de la vitesse limite à partir dc laquelle les aubes se rompent. [0022] Avantageusement, l'aube est montée sur un disque, l'axe longitudinal de la ou chaque cavité oblongue étant compris dans un plan de frangibilité situé à une distance d'un axe de rotation du disque comprise entre h+0,06h et h-0,06h, de préférence comprise entre h+O,04h et h-0,04h, h désignant la distance entre l'axe de rotation et le plan de section minimale, le plan de frangibilité et le plan de section minimale étant parallèles entre eux et à l'axe de rotation. [0023] Selon une autre caractéristique, la zone frangible de l'échasse est formée par une zone concave de l'échasse réalisée sur une face avant et sur au moins l'un des flancs latéraux de l'échasse, la zone la plus profonde de la cavité oblongue étant intersectée par le plan de section minimale de l'échasse. 100241 Par exemple, la profondeur maximale de la cavité oblongue est comprise entre 9% et 35% de la largeur de l'échasse, de préférence comprise entre 10% et 25% de la largeur de l'échasse, considérée à l'endroit le plus profond de la cavité. [0025] Dans un mode de réalisation, la profondeur maximale de la cavité oblongue est comprise entre 10% et 25% de sa longueur, de préférence comprise entre 14% et 20% de la longueur de la cavité [0026] Dans un mode de réalisation, dans lequel chaque flanc latéral de l'échasse comprend une cavité oblongue de frangibilité, la distance entre le barycentre des cavités et la projection du centre de gravité de l'aube sur le plan de section minimale est compris entre 0 et 20% de la longueur axiale de l'échasse, de préférence entre 0 et 15% de ladite largeur de l'échasse. [0027] Avantageusement, la cavité oblongue comporte une section transversale curviligne. [0028] De préférence, la cavité oblongue comporte une section transversale en arc de cercle. [0029] L'invention a également pour objet une turbine de turbomachine, comprenant un rotor comportant au moins un disque et un ensemble d'aubes de turbine montées sur le disque, chaque aube étant une aube telle que définie ci-dessus. [0030] Avantageusement, l'axe longitudinal de la ou chaque cavité oblongue de chaque aube est compris dans un plan de frangibilité situé à une distance d'un axe de rotation du disque comprise entre h+0,06h et h-0,06h, de préférence comprise entre h+0,04h et h-0,04h, h désignant la distance entre l'axe de rotation du disque et le plan de section minimal, le plan de frangibilité et le plan de section minimale étant parallèles entre eux et à l'axe de rotation. [0031] D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés. Brève description des dessins [0032] [fig.1], dont il a déjà été fait mention, illustre la structure générale d'une turbine à gaz à turbine libre selon l'état de la technique ; [0033] [fig.2] [0034] [fig.3], déjà évoquées, sont respectivement des vues de face et en perspective d'une aube selon l'état de la technique ; [0035] [fig.4] dont il a déjà été fait mention, montre le champ de contraintes s'exerçant sur l'échasse de l'aube des figures 2 et 3 ; [0036] [fig.5] [0037] [fig.6] sont respectivement des vues de face et en perspective d'une aube selon l'invention ; [0038] [fig.7] est une vue de détail à plus grande échelle de l'aube de la figure 6 ; 100391 Ifig.81 est une vue en coupe transversale de l'échasse de l'aube des figures 5 et 6 à l'endroit le plus profond des cavités ; [0040] [fig.9] montre l'aube des figures 5 et 6 montée sur un disque de rotor ; [0041] [fig.10] est une vue en perspective de la figure 8 ; et [0042] [fig.1 1] montre le champ de contraintes s'exerçant sur l'échasse de l'aube des figures 5 et 6. Exposé détaillé d'au moins un mode de réalisation [0043] On a représenté sur les figures 5 et 6 une aube de turbomachine, en particulier une aube de turbine libre, désignée par la référence numérique générale 10. [0044] Cette aube 10 comporte une pale 11, un pied de sapin 12 destiné à la fixation de l'aube sur un disque de rotor, par engagement du pied 12 dans un logement aussi appelé « alvéole » de forme correspondante pratiqué dans le disque, unc échasse 13 prolongeant le pied de sapin 12 et une plateforme 14. [0045] Lc pied de sapin s'étend selon un axc longitudinal, qui de façon connue en soi peut former un angle avec l'axe de rotation A-A' du disque de la turbine, afin d'augmenter la longueur de contact entre le pied de sapin et le disque. L'axe du pied de sapin unc fois l'aube montée sur le disque s'étend selon la direction de l'alvéole correspondante dans le disque. Les alvéoles d'un disque de turbine libre peuvent être prévues chacune plus ou moins en oblique dans un plan tangentiel au disque, par rapport à la direction axiale du disque. En d'autres termes un angle dans un plan tangentiel au disque est formé entre la direction d'une alvéole et l'axe du disque. [0046] Comme on le voit, l'échasse 13 a une forme curviligne. [0047] Elle comporte, sur sa face antérieure, du côté du bord d'attaque de l'aube, une forme concave 15 et des flancs latéraux 16 également concaves afin de réduire localement la section de l'échasse pour délimiter une zone frangible dans l'échasse. [0048] L'aube 10 comporte par ailleurs des cavités 17 oblongues, c'est-à-dire présentant une dimension longitudinale supérieure à leur dimension latérale, qui sont pratiquées dans les flancs latéraux de l'échasse 13. Chaque cavité 17 s'étend selon un axe longitudinal X-X'parallèle ou sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du pied de sapin. L'axe X-X' de chaque cavité peut donc, comme l'axe du pied de sapin, former un angle avec l'axe de rotation A-A' du disque de la turbine, visible sur la figure 9. [0049] Chaque cavité constitue une poche réduisant localement la section transversale du col de l'échasse afin de fragiliser la zone frangible de l'échasse et de régler la vitesse limite de survitesse à partir de laquelle la pale se détache du disque. [0050] Par exemple, tel qu'illustré, chaque flanc latéral de l'échasse comporte au moins une cavité. Chaque flanc latéral comporte ici une cavité, l'échasse comprenant une paire de cavités pratiquées de manière symétrique. [0051] Tel qu'illustré sur la figure 7, chaque cavité comporte une section transversale 6 concave, considérée perpendiculairement à l'axe longitudinal de la cavité, de préférence une section transversale ronde, sans arête. Le rayon R de la cavité est de préférence compris entre 10 et 25% de la longueur de la cavité, avantageusement compris entre 14% et 20% de la longueur de la cavité. [0052] Sa profondeur, qui peut par exemple correspondre au rayon de la cavité, est avanta- geusement comprise entre 9% et 35% de la largeur minimale ltnin de l'échasse, considérée au niveau du point le plus profond de la cavité (figure 8). La profondeur de la cavité est de préférence comprise entre 10% et 25% de la largeur 1min de l'échasse. [0053] En référence à la figure 9, qui illustre une aube montée sur une portion d'un disque D, chaque cavité est pratiquée dans la surface concave d'un flanc latéral de l'échasse et s'étend parallèlement à un plan longitudinal P qui coïncide avec la largeur minimale du col de l'échasse. [0054] En considérant la distance h entre l'axe de rotation A-A' du disque de la turbine et le plan P, l'axe X-X' de chaque cavité est compris dans un plan, désigné par la suite plan de frangibilité, qui soit coïncide avec le plan P, soit est parallèle au plan Pet se situe légèrement au-dessus ou au-dessus du plan P. Plus précisément, le plan de frangibilité se situe à une distance de l'axe de rotation A-A' du disque comprise entre h-0,06h et h+0,06h, de préférence comprise entre h-0,04h et h+0,04h. Par ailleurs, si l'échasse comprend une paire de cavités pratiquées de manière symétrique, le plan de frangibilité comprend les deux axes X-X' respectifs des deux cavités. [0055] Par ailleurs, comme visible sur la figure 10, qui illustre une vue en perspective et en coupe transversale au niveau des points les plus profonds des cavités, la distance d entre le barycentre B de l'ensemble des cavités et la projection radiale du centre de gravité G de l'aube sur le plan de coupe est comprise entre 0 et 20% de la longueur axiale L de l'échasse à l'endroit de sa section minimale, de préférence comprise entre 0 et 15% de cette longueur L. La longueur axiale L est mesurée selon une direction parallèle à l'axe du pied de sapin, lequel peut avantageusement faire un angle avec l'axe de rotation A-A' du disque de la turbine. Cet angle est compris par exemple entre 5° et 20 °. [0056] La longueur des cavités est par exemple d'environ 40% de la longueur totale du pied de sapin à l'endroit de la section minimale et leur profondeur est d'environ 20% de la largeur du col. [0057] Chaque flanc latéral de l'échasse peut comporter un nombre quelconque de cavités afin de réduire localement la section de l'échasse et régler de la sorte la vitesse limite de rotation des aubes. [0058] Comme indiqué précédemment, les cavités sont dépourvues d'angle vif afin de ne pas induire de concentration de contraintes plus fortes que celles qui sont déjà induites par la forme concave pratiquée dans la face antérieure, du côté du bord d'attaque. 7 [0059] Ces cavités permettent dc régler la vitesse dc rupture de l'aube en augmentant la contrainte moyenne qui s'exerce dans le col de l'échasse, sans augmenter de manière significative la contrainte maximale engendrée sous l'action des efforts thermomécaniques nuisibles à la durée de vie de l'aube. [0060] En effet, comme le montre la figure 11, qui illustre le champ de contraintes radiales s'exerçant dans l'aube sous l'action des efforts thermomécaniques, l'introduction d'une cavité dans la zone frangible de l'échasse n'engendre pas d'augmentation significative de la contrainte maximale qui reste localisée dans la zone Z' du bord de la concavité du bord d'attaque dc l'aube. A titre d'exemple, l'introduction d'une cavité oblongue dans chacun des deux flancs latéraux de l'échasse, dans le cas représenté sur cette figure 11, a augmenté localement la contrainte maximale de seulement 1 %. 8 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] REVENDICATIONSAube (10) de turbine d'une turbomachine, comportant une pale (11) et un pied (12), ledit pied comprenant une échasse (13) présentant des flancs latéraux à profil curviligne, ladite échasse comprenant une zone frangible adaptée pour subir une rupture de l'échasse si des efforts radiaux supérieurs à un seuil sont exercés sur l'aube, en particulcr des efforts centrifuges lors d'un état de survitesse de la turbine, l'aube de turbine étant caractérisée en ce que la zone frangible comprend au moins une cavité oblongue (17) de frangibilité pratiquée sur au moins l'un des flancs latéraux de l'échasse, ladite cavité oblongue s'étendant dans une direction axiale de l'échasse selon un axe longitudinal (X-X') parallèle à ou compris dans un plan de section minimale (P) dans lequel se situe une section transversale minimale de l'échasse. Aube selon la revendication 1, montée sur un disque (D) de rotor de turbomachine, dans laquelle l'axe longitudinal (X-X') de la ou chaque cavité oblongue (17) est compris dans un plan de frangibilité situé à une distance d'un axe de rotation (A-A') du disque (D) comprise entre h+0.06h et h-0,06h, de préférence comprise entre h+0,04h et h-0,04h, h désignant la distance entre l'axe de rotation (A-A') et le plan de section minimale (P), le plan de frangibilité et le plan de section minimale (P) étant parallèles entre eux et à l'axe de rotation (A-A'). Aube selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle la zone frangible de l'échasse (13) est formée par une zone concave (15) de l'échasse réalisée sur une face avant et sur au moins l'un des flancs latéraux de l'échasse, la zone la plus profonde de la cavité oblongue (17) étant intersectée par le plan de section minimale (P) de l'échasse. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la profondeur maximale (R) de la cavité oblongue (17) est comprise entre 9% et 35% de la largeur (finin) de l'échasse, de préférence comprise entre 10% et 25% de la largeur (hnin) de l'échasse, considérée à l'endroit le plus profond de la cavité. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la profondeur maximale (R) de la cavité oblongue (17) est comprise entre 10% et 25% de sa longueur, de préférence comprise entre 14% et 20% de la longueur de la cavité. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle chaque flanc latéral de l'échasse comprend une cavité oblongue (17) de 9 [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] frangibilité et dans laquelle la distance entre le barycentre (B) des cavités et la projection du centre de gravité G de l'aube sur le plan de section minimale (P) est comprise entre 0 et 20% de la longueur axiale (L) de l'échasse, de préférence entre 0 et 15% de ladite longueur de l'échasse. Auhe selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la cavité oblongue (17) comporte une section transversale curviligne. Auhe selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la cavité oblongue (17) comporte une section transversale en arc de cercle. Turbine de turbomachine, comprenant un rotor comportant au moins un disque et un ensemble d'aubes de turbine montées sur le disque, caractérisée en cc que chaque aube est une aube (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. Turbine selon la revendication 9, dans laquelle l'axe longitudinal (X-X') de la ou chaque cavité oblongue (17) de chaque aube est compris dans un plan de frangihilité situé à une distance d'un axe de rotation (A-A') du disque (D) comprise entre h+0,06h et h-0,06h, de préférence comprise entre h-F0,04h et h-0,04h, h désignant la distance entre l'axe de rotation du disque (A-A') et le plan de section minimale (P), le plan de frangihilité et le plan de section minimale (P) étant parallèles entre eux et à l'axe de rotation (A-A').