Brevet FR3098245A1 — publié le 20210108

Description Titre de l'invention : Aube de turbine à cavité de bord de fuite cloisonnée Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte au domaine des aubages de turbomachines aéro- nautiques et elle concerne plus particulièrement une aube mobile de turbine à refroidissement amélioré par une cavité de bord de fuite cloisonnée. Technique antérieure [0002] Les aubages, notamment de turbine haute pression, sont des pièces qui fonctionnent à des températures de fonctionnement élevées, situées au-delà des températures de fusion des matériaux de ces pièces. C'est pourquoi, il est nécessaire de refroidir ces aubages avec un circuit de refroidissement qui doit être le plus efficace possible compte tenu d'un besoin grandissant en performances, rendement, durée de vie et fiabilité, ce qui conduit à avoir des températures de fonctionnement toujours plus importantes. En effet, plus le circuit de refroidissement sera performant : plus la température admissible dans la veine sera élevé et plus le moteur sera performant à iso-débit de refroidissement et durée de vie identique, plus la durée de vie de l'aubage sera importante pour un même débit de ventilation et pour les mêmes conditions thermodynamiques, moins le débit de refroidissement nécessaire pour garantir l'intégrité de l'aubage sera important pour un point de fonctionnement donné, augmentant ainsi le rendement de la turbine. [0003] Or, dans un aubage, par exemple mobile, le bord de fuite est critique thermiquement et mécaniquement, du fait de la difficulté à refroidir efficacement cette zone d'extrémité, à cause du manque d'espace et notamment des épaisseurs minimales de matière requises pour la jonction des parois au niveau du bord de fuite. [0004] La figure 2 est une vue partielle d'une aube de turbine conventionnelle 20, en coupe dans un plan perpendiculaire à un axe radial de l'aube (axe traversant l'aube de son pied à son sommet), comportant une paroi intrados 22 et une paroi extrados 24 et montrant une première cavité radiale 26, s'étendant sensiblement d'un pied de l'aube à un sommet. de l'aube, dite cavité de bord de fuite et une seconde cavité radiale 28, s'étendant aussi sensiblement d'un pied de l'aube à un sommet de l'aube, située en amont de la première et séparée de celle-ci par une pluralité de canaux 30 les reliant entre elles. Le refroidissement de la seconde cavité radiale 28 est assuré par une alimentation en air de refroidissement injecté depuis le pied de l'aube et qui passant par la pluralité de canaux 30 va alimenter la cavité de bord de fuite 26 d'où cet air de re- 2 froidissement sera expulsé à l'extérieur de l'aube par des fentes de sortie 32. [0005] Le calibrage de la section des canaux permet d'homogénéiser la température du débit de refroidissement qui est hétérogène entre le pied et le sommet de l'aubagc, du fait de l'échauffement du fluide. Toutefois, des hétérogénéités subsistent et sont en pratique à l'origine d'un écoulement radial dans la cavité de bord de fuite, ce qui en perturbe à la fois le calibrage et surtout l'écoulement axial en sortie qui devrait résulter de la disposition horizontale des fentes de sortie, plus particulièrement quand la pluralité de canaux est orientée en direction d'une paroi afin de maximiser l'échange thermique par convection forcée. En outre, toutes les fentes de sortie de la cavité de bord de fuite débouchant dans une même cavité, la répartition de débit des fentes ne peut être maîtrisée et la cavité de bord de fuite affiche donc régulièrement un niveau thermique important du fait de cette difficulté à maîtriser cette répartition, notamment afin que celle-ci soit réellement homogène. Exposé de l'invention [0006] La présente invention se propose donc de pallier les inconvénients précité avec un aubagc de turbomachine aéronautique destiné à être monté autour d'un axe longitudinal de la turbomachine et s'étendant principalement radialement par rapport à cet axe longitudinal, comprenant une paroi intrados et une paroi extrados, une première cavité de bord de fuite pourvue de fentes de sortie et une seconde cavité disposée en amont de la cavité de bord de fuite et alimentant la cavité de bord de fuite via une pluralité de canaux de liaison, caractérisé en ce que la cavité de bord de fuite comprend plusieurs cloisons de séparation disposées à différentes hauteurs de l'aube sur sensiblement toute sa hauteur, de sorte à créer une pluralité de cavités calibrées, dans lesquelles les fentes de sortie prolongent axialcment les canaux de liaison pour forcer un écoulement axial. [0007] Ainsi, en introduisant des cloisons horizontales à différentes hauteurs de l'aube pour séparer en plusieurs zones distinctes la cavité de bord de fuite, il devient possible de forcer l'écoulement en sortie dans une direction uniquement axiale et d'éviter l'écoulement radial perturbateur dans la cavité de bord de fuite existant à ce jour dans les aubes de l'état de l'art. [0008] De préférence, chaque cloison de séparation délimite une fente de sortie. Chaque cavité calibrée comprend au moins deux canaux de liaison et deux fentes de sortie. [0009] Avantageusement, les cloisons de séparation sont alignées avec les fentes de sortie et les canaux de liaison. [0010] De préférence, les fentes de sortie et les canaux de liaison s'étendent axialement. [0011] Avantageusement, les cloisons de séparation ont une épaisseur comprise entre 0,1 et 1mm. 3 100121 De préférence, chaque cavité calibrée présente une forme sensiblement parallélé- pipédique délimitée radialement par deux cloisons de séparation et axialement d'une part par les canaux de liaison, et (l'autre part par les fentes de sortie. Chaque aubaee comprend avantageusement entre trois et dix cavités calibrées. [0013] L'invention concerne encore une turbine haute pression comportant au moins un aubage (mobile ou fixe) de turbomachine tel que précité et une turbomachine aéronautique comportant une turbine haute pression. Brève description des dessins [0014] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples dc réalisation non limitatifs et sur lesquels : [0015] [fig.1] La figure 1 représente un noyau céramique utilisé pour la fabrication d'un aubage dc turbomachine aéronautique conforme à l'invention et une partie de l'aubage correspondant, et [0016] [fig.2] La figure 2 illustre en coupe partielle un aubage de turbomachine aéronautique selon l'art antérieur. Description des modes de réalisation [0017] La figure 1 illustre un noyau céramique 8 utilisé pour la fabrication d'une aube mobile de turbine d'une turbomachine aéronautique ayant un axe longitudinal et disposant d'un circuit de refroidissement conforme à l'invention et auquel est associée une vue agrandie en coupe partielle de cette aube mobile de turbine obtenue à partir de ce noyau par un processus connu de fabrication en fonderie à la cire perdue. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à une aube mobile de turbine mais trouve aussi application à une aube fixe de turbine (distributeur haute pression). 10018] Comme il a été mentionné précédemment, une aube de turbine qui s'étend princi- palement radialement par rapport à l' axe longitudinal de la turbomachine, comporte une paroi intrados et une paroi extrados s'étendant chacune sensiblement d'un pied de l'aube à un sommet de l'aube, une cavité de bord de fui te pourvue de fentes de sortie, et une cavité radiale disposée en amont de la cavité de bord de fuite, alimentée en air de refroidissement depuis le pied de l'aube et séparée de celle-ci via une pluralité de canaux de liaison reliant ces cavités entre elles. 10019] Conformément à l'invention, la cavité de bord de fuite 10 est séparée en une pluralité de cavités calibrées 10.1, 10.2, 10.3, 10.n par une pluralité de cloisons rectilignes 12.1, 12.2, 12.3 et horizontales, en étant agencées perpendiculairement à Faxe radial de l'aube reliant son pied à son sommet. Les cavités calibrées sont disposées à différentes hauteurs de l'aube sur sensiblement toute sa hauteur et assurent ainsi une séparation du bord de fuite. Ces cavités calibrées de forme sensiblement parallélépipédique sont chacune délimitées radialemcnt par deux cloisons de séparation et axialement par d'une part les canaux de liaison et d'autre part les fentes de sorties. [0020] Dans une configuration minimale envisageable, la cavité de bord de fuite peut comporter deux cavités calibrées séparées par une cloison unique disposée avantageusement au plus près du sommet de l'aube pour assurer une répartition localisée à cc niveau. Chacune de ces cavités calibrées est alimentée en air de refroidissement à partir d'une pluralité de canaux de liaison formant orifices de calibrage 14. 1, 14.2, 14.3 émergeant axialement de la cavité radiale 16, cet air de refroidissement étant expulsé de la cavité calibrée par l'intermédiaire de perçages axiaux 18.1, 18.2, 18.3 formant les fentes de sortie du bord de fuite. Avec cette configuration dans laquelle les fentes de sortie prolongent axialement les canaux de liaison, on assure un pilotage du débit au niveau d'un ensemble réduit de fentes de sortie, ce qui permet une optimisation de cc débit en fonction de zones critiques particulières ou de zones moins sensibles. On limite également fortement voir on élimine tout écoulement radial dans la cavité calibrée en forçant un écoulement axial. [0021] De préférence et comme illustré, les cloisons de séparation sont alignées (coïncident) d'une part avec les nervures délimitant les fentes de sortie, par exemple la cloison de séparation 12.2 entre les cavités calibrées 10.2 et 10.3 constitue également la nervure (la paroi) délimitant la fente de sortie formée par le perçage 18.3 et d'autre part avec les interstices séparant entre eux chacun des orifices de calibrages, par exemple pour cette même cloison de séparation 12.2 avec l'interstice séparant le troisième orifice de calibrage 14.3 de la cavité 10.2 et le premier orifice de calibrage de la cavité adjacente 10.3. [0022] Les cloisons de séparation sont disposées avec une périodicité variable tant vis-à-vis des fentes de sortie que des orifices de calibrage. Ainsi, ces cloisons de séparation sont par exemple disposées tous les trois orifices de calibrage depuis le pied d'aube avec toutefois seulement deux orifices de calibrage en sommet d'aube et toutes les trois fentes de sortie depuis le pied de l'aube avec toutefois ici encore seulement deux fentes de sortie en sommet d'aube. Bien entendu, d'autres périodicité sont envisageables, chaque cavité calibrée dont le nombre est typiquement compris entre trois et dix, devant toutefois comporter en amont au moins deux canaux de liaison formant les orifices de calibrage et deux fentes de sortie en aval. [0023] Le cloisonnement peut être réalisé simplement en fonderie sans difficulté particulière pour l'homme du métier, au travers du noyau céramique comme le montre la figure 1, avec par exemple une épaisseur de cloisons comprise entre 0,1 et Imm. [0024] On s'assurera toutefois qu'une distance de débouchage minimale des orifices et perçages des cavités calibrées soit prévue supérieure à la tolérance de déport du noyau afin de ne pas impacter la face interne de la cloison de séparation lors de ce dé- bouchage. [0025] On notera en outre que la partie du bord de fuite qui comprend l'ensemble des fentes de sortie peut être rattachée à une unique barrette permettant d'assurer le bon positionnement du noyau dans le moule en cire et le maintien des dimensions lors de l'injection de la cire. [0026] Ainsi, r invention en cloisonnant la cavité du bord de fuite permet d'améliorer le re- froidissement des aubages de turbomachine en présentant un écoulement rectiligne en sortie des calibrages et ne perturbant donc pas l'éjection des autres orifices de calibrage dans les cavités calibrées adjacentes, notamment lorsque ces derniers sont orientés vers la paroi intrados pour y exercer de la convection forcée. Ce cloisonnement permet de plus d'optimiser la répartition de débit par ensemble de fentes de sortie en bord de fuite, ce qui donne de la marge en robustesse pour la conception de ces fentes. 6 REVENDICATIONS[Revendication 1] Aubage de turbomachine destiné à être monté autour d'un axe lon- gitudinal de la turbomachine et à s'étendre principalement radialemcnt par rapport à cet axe longitudinal, comprenant une paroi intrados (22) et une paroi extrados (24), une première cavité de bord de fuite pourvue de fentes de sortie (18.1, 18.2, 18.3) et une seconde cavité (16) disposée en amont de la cavité de bord de fuite et alimentant la cavité de bord de fuite via une pluralité de canaux de liaison (14.1, 14.2, 14.3), caractérisé en cc que la cavité de bord de fuite comprend plusieurs cloisons de séparation (12.1, 12.2, 12.3) disposées à différentes hauteurs de l'aube sur sensiblement toute sa hauteur, de sorte à créer une pluralité de cavités calibrées (10.1, 10.2, 10.3, 10.n), dans lesquelles les fentes de sortie prolongent axialement les canaux de liaison (14.1, 14.2, 14.3) pour forcer un écoulement axial. [Revendication 2] Aubage selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cloison de séparation (12.1, 12.2, 12.3) délimite une fente de sortie (18.1, 18.2, 18.3). [Revendication 3] Aubage selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que chaque cavité calibrée (10.1, 10.2, 10.3, 10.n) comprend au moins deux canaux de liaison (14.1, 14.2, 14.3) et deux fentes de sortie (18.1, 18.2, 18.3). [Revendication 4] Aubage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les cloisons de séparation (12.1, 12.2, 12.3) sont alignées avec les fentes de sortie (18.1, 18.2, 18.3) et les canaux de liaison (14.1, 14.2, 14.3) sont rectilignes. [Revendication 5] Aubage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque cavité calibrée (10.1, 10.2, 10.3, 10.n) présente une forme sensiblement parallélépipédique délimitée radialement par deux cloisons de séparation (12.1, 12.2, 12.3) et axialement d'une part par les canaux de liaison (14.1, 14.2, 14.3), et d'autre part par les fentes de sortie (18.1, 18.2, 18.3). [Revendication 6] Aubage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en que les fentes de sortie (18.1, 18.2, 18.3) et les canaux de liaison (14.1, 14.2, 14.3) s'étendent axialement. [Revendication 7] Aubage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en que les cloisons de séparation ont une épaisseur comprise entre 0,1 et 7 [Revendication 8] Aubage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend entre trois et dix cavités calibrées (10.1, 10.2, 10.3, 10.n). [Revendication 9] [Revendication 10] Turbine haute pression comportant au moins un aubage de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. Turbomachine aéronautique comportant une turbine haute pression selon la revendication 9.