Brevet FR3094035A1 — publié le 20200925

Description Titre de l'invention : AUBE DE TURBOMACHINE EQUIPEE D'UN CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT AVEC ZONE DE RACCORDEMENT OPTIMISEE Domaine de l'invention 100011 La présente invention concerne le domaine des turbomachines et en particulier une aube de turbomachine équipée d'un circuit de refroidissement destiné à la refroidir. Arrière-plan technique [0002] Les aubes de turbomachine, notamment les aubes de turbine haute pression sont soumises à des températures très élevées qui peuvent réduire leur durée de vie et dégrader les performances de la turbomachine. En effet, les turbines de turbomachine sont agencées en aval de la chambre de combustion de la turbomachine qui éjecte un flux gazeux chaud lequel est détendu par les turbines et permet de les entraîner en rotation pour le fonctionnement de la turbomachine. La turbine haute pression qui est placée directement à la sortie de la chambre de combustion subit les températures les plus élevées. [0003] Afin de permettre aux aubes de turbine de supporter ces contraintes thermiques sévères, il est connu de prévoir un circuit de refroidissement dans lequel circule un air relativement plus froid qui est prélevé au niveau des compresseurs, ces derniers étant situés en amont de la chambre de combustion. Plus précisément, chaque aube de turbine comprend une pale avec une paroi intrados et une paroi extrados qui sont reliées en amont par un bord d'attaque et en aval par un bord de fuite. [0004] Le circuit de refroidissement comprend plusieurs cavités à l'intérieur de la pale entre les paroi intrados et extrados de l'aube, dont certaines communiquent entre elles et qui sont alimentées par de l'air de refroidissement depuis le pied de l'aube, une partie de cet air de refroidissement débouchant dans des orifices de sortie qui sont placés au voisinage du bord de fuite. Ces orifices délivrent des jets cl' air de refroidissement sur les parois de la pale. [0005] 11 est connu que le circuit de refroidissement comprenne une cloison s'étendant d'une part radialcment et d'autre part transversalement dans la pale de manière à former une première cavité « montante » et une deuxième cavité « descendante » disposées successivement suivant le sens de circulation de l'air de refroidissement et qui communiquent entre elles par un passage courbe. Ces cavités et le passage sont connus sous l'expression de circuit « trombone ». Le passage courbe est délimité par l'extrémité libre radialement externe de la cloison qui présente une courbure ou retournement de la cloison. Cela permet de balayer une grande surface à l'intérieur de la 2 pale pour son refroidissement. [0006] La cloison relie transversalement une première paroi, exposée à l'environnement extérieur de la pale et notamment aux flux gazeux chauds, à une deuxième paroi qui sont opposées. L'extrémité libre radialement externe de la cloison forme un angle droit (90C) avec chaque première et deuxième paroi au niveau de l'intersection de la cloison formant zone de raccordement. L'intersection réalisée entre la première paroi et la cloison est fortement contrainte mécaniquement. Ceci est dû à la présence de forts gradients thermiques entre l'extérieur de la pale et l'intérieur de celle-ci induisant alors un écart de dilatations thermiques entre l'intérieur et l'extérieur de la pale et notamment au niveau de la zone de raccordement. La durée de vie de l'aube est impactée et la capacité vibratoire de celle-ci amoindrie. Résumé de l'invention [0007] L'objectif de la présente invention est de réduire les contraintes mécaniques que subit la pale de l'aube ducs à l'agencement d'un circuit de refroidissement tout en évitant les modifications structurelles importantes de l'aube. [0008] Nous parvenons à cet objectif conformément à l'invention grâce à une aube de tur- bomachine comprenant une pale s'étendant suivant un axe radial et un circuit de refroidissement agencé à l'intérieur de la pale, le circuit de refroidissement comportant une première cavité et une deuxième cavité disposée en aval de la première cavité suivant un sens de circulation d'un fluide de refroidissement, les première et deuxième cavités s'étendant radialement à l'intérieur de la pale et étant séparées au moins en partie par une cloison radiale ayant une extrémité libre radialement externe qui délimite au moins en partie un passage reliant les première et deuxième cavités, la cloison radiale reliant une première paroi en contact avec l'environnement extérieur de la pale à une deuxième paroi opposées sensiblement suivant un axe transversal, perpendiculaire à l'axe radial, dans respectivement une zone de raccordement, au moins une zone de raccordement présentant un épaississement ayant une section transversale générale sensiblement triangulaire. [0009] Ainsi, cette solution permet d'atteindre l'objectif susmentionné. En particulier, l'épaississement de la zone de raccordement au niveau d'une des parois de la pale subissant de fortes contraintes thermique et mécanique où est reliée la cloison radiale permet de réduire la contrainte maximale à cet endroit. Cette configuration permet une réduction des contraintes de l'ordre de 15% ce qui est non négligeable et permet d'améliorer d'une part, la durée de vie de l'aube et d'autre part, les capacités vibratoires de celles-ci. Par ailleurs, une telle configuration permet de décaler la zone de contrainte thermique maximale d'une des parois vers l'intérieur de la pale qui est plus froide ce qui améliore davantage la durée de vie de l'aube. Enfin, cette solution est 3 simple et économique à mettre en oeuvre. [0010] L'aube comprend également l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : l'épaississement présente une surface périphérique externe avec une arête de sommet inclinée suivant un angle prédéterminé par rapport à une ligne de l'extrémité radialcment externe qui est perpendiculaire à la première paroi. l'épaississement présente une largeur prédéterminée L mesurée entre une surface interne de la première paroi et un bord depuis lequel s'élève l'épaississement de l'extrémité libre radialcment externe, la largeur prédéterminée étant égale ou inférieure à la moitié de la largeur de la cloison suivant l'axe transversal. l'épaississement comprend une première portion de surface courbe avec un premier rayon R1 qui relie la surface périphérique externe à une surface externe de l'extrémité libre radialemcnt externe. l'épaississement comprend une deuxième portion de surface courbe avec un deuxième rayon R2 qui relie la surface périphérique externe à une surface interne de la première paroi. le premier rayon est supérieur au deuxième rayon. le passage comprend une section de passage qui est fonction de l'angle prédéterminé, du premier rayon, du deuxième rayon et de la largeur prédéterminée. l'épaississement fait saillie vers l'intérieur de la pale depuis une surface interne de la première paroi. la première paroi est définie par la paroi extrados. la deuxième paroi est définie par une paroi interne s'étendant transversalement entre la paroi extrados et une paroi intrados. la parois extrados et la paroi intrados sont reliées en amont par un bord d'attaque et en aval par un bord de fuite. [0011] L'invention concerne également une turbine de turbomachine comprenant au moins une aube de turbomachine présentant l'une quelconque des caractéristiques susmentionnées. [0012] L'invention concerne en outre une turbomachine comprenant au moins une turbine de turbomachine telle que précitée. Brève description des figures [0013] L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels : [0014] [fig.1] La figure 1 est une vue en coupe axiale et partielle d'un exemple de turbomachine à laquelle s'applique l'invention ; [0015] [fig.2] La figure 2 représente schématiquement une coupe axiale d'une aube de turbomachine avec un circuit de refroidissement selon l'invention ; [0016] [fig.3] La figure 3 est une vue en perspective et en coupe radiale d'une partie supérieur d'une pale d'une aube de turbomachine comprenant un circuit de refroidissement selon l' invention ; [0017] [fig.4] La figure 4 est une vue schématique d'un exemple d'agencement d'une zone de raccordement avec épaississement entre une cloison et une des parois d'une pale délimitant au moins une cavité du circuit de refroidissement selon l'invention ; [0018] [fig.5] La figure 5 illustre une cartographie des contraintes susceptibles de déformer la paroi d'une pale au niveau d'une zone de raccordement entre une paroi et une cloison de la pale de l'art antérieur ; [0019] [fig.6] La figure 6 illustre une cartographie des contraintes susceptibles de déformer la paroi d'une pale au niveau d'une zone de raccordement avec épaississement entre une paroi et une cloison selon l'invention ; et [0020] [fig.7] La figure 7 illustre une cartographie des contraintes susceptibles de déformer la paroi extrados et de la zone critique de celle-ci qui est décalée vers l'intérieur de la pale au niveau de la zone de raccordement. Description détaillée de l'invention [0021] La figure 1 montre une vue en coupe axiale d'unc turbomachine 1 d'axe longitudinal X à laquelle s'applique l'invention. La turbomachine représentée est une turbomachine double flux et double corps destiné à être montée sur un aéronef selon l'invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ce type de turbomachine. [0022] Cette turbomachine 1 à double flux comprend, de manière générale, une soufflante 2 montée en amont d'un générateur de gaz 3. Dans la présente invention, et de manière générale, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation des gaz dans la turbomachine et ici suivant l'axe longitudinal X (et même de gauche à droite sur la figure 1). Les termes « axial » et « axialement » sont définis par rapport à l'axe longitudinal X. De même, les termes « radial », « interne » et « externe » sont définis par rapport à un axe radial Z perpendiculaire à l'axe longitudinal X et au regard de l'éloignement par rapport à l'axe longitudinal X. [0023] Le générateur de gaz 3 comprend d'amont en aval, un compresseur basse pression 4a, un compresseur haute pression 4b, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6a et une turbine basse pression 6b. [0024] La soufflante 2, qui est entourée par un carter de soufflante 7 portée par une nacelle 8, divise l'air qui entre dans la turbomachine en un flux d'air primaire qui traverse le générateur de gaz 3 et en particulier dans une veine primaire 9, et en un flux d'air secondaire qui circule autour du générateur dc gaz dans une veine secondaire 10. [0025] Le flux d'air secondaire est éjecté par une tuyère secondaire 11 terminant la nacelle alors que le flux d'air primaire est éjecté à l'extérieur de la turbomachine via une tuyère d'éjection 12 située en aval du générateur dc gaz 3. [0026] La turbine haute pression 6a, comme la turbine basse pression 6b, comprend un ou plusieurs étages. Chaque étage comprend un aubage stator monté en amont d'un aubage mobile. L'aubage stator comprend une pluralité d'aubes de stator ou fixes, appelées distributeur, qui sont réparties circonférentiellement autour de l'axe longitudinal X. L'aubage mobile comprend une pluralité d'aubes mobiles qui sont réparties également circonférentiellement autour d'un disque centré sur l'axe longitudinal X. Les distributeurs dévient et accélèrent le flux aérodynamique en sortie de la chambre de combustion vers les aubes mobiles pour que celles-ci soient entrainées en rotation. [0027] En référence aux figures 2 et 3, chaque aube de turbine (et ici une aube mobile 20 de turbine haute pression) comprend une pale 21 s'élevant radialement depuis une plateforme 22. Cette dernière est portée par un pied 23 qui est destiné à s'implanter dans une des rainures correspondantes du disque de turbine. Chaque pale 21 comprend une paroi intrados 24 et une paroi extrados 25 qui sont reliées en amont par un bord d'attaque 26 et en aval par un bord de fuite 27. Les parois intrados et extrados sont opposées suivant un axe transversal T qui est perpendiculaire aux axes longitudinal et [0028] L'aube 20 comprend un circuit de refroidissement 28 qui est agencé à l'intérieur de la pale et qui est destiné à refroidir les parois de la pale subissant les températures élevées du flux d'air primaire quittant la chambre de combustion 5 et la traversant. Le circuit de refroidissement 28 comprend plusieurs cavités qui communiquent entre elles de manière à former un conduit de type trombone. Ce dernier comprend plusieurs passages courbes ou retournements (d'environ 180°) pour que le fluide de refroidissement (ici de l'air de refroidissement), balaie l'ensemble de la pale et de haut en 6 bas suivant l'axe radial. Le refroidissement de la pale est alors optimisé. [0029] Le pied 23 comprend un canal d'alimentation 30 qui comprend une entrée d'air de refroidissement 31 prélevé en amont de la chambre de combustion tel que sur le compresseur basse pression et qui débouche dans le conduit de type trombone. Le canal 30 débouche également sur une face radialcment interne 32 du pied de l'aube qui comprend l'entrée d'air de refroidissement. Le circuit de refroidissement comprend également des orifices de sortie 33 qui sont agencés au voisinage du bord de fuite 27 de la pale. Les orifices de sortie 33 sont orientés sensiblement suivant l'axe longitudinal X et sont alignés et répartis régulièrement sensiblement suivant l'axe radial. De la sorte, l'air de refroidissement RF qui circule depuis le pied de l'aube traverse les cavités à l'intérieur de la pale et débouche dans les orifices de sortie 33. [0030] Comme cela est illustré en détail sur la figure 3, le circuit de refroidissement 28 comprend plusieurs cavités agencées successivement de l'amont vers l'aval de la pale. En particulier, une première cavité 34 et une deuxième cavité 35 s'étendent chacune suivant l'axe radial dans la pale. La deuxième cavité 35 est disposée en aval de la première cavité 34 suivant le sens de circulation de l'air de refroidissement (et de l'amont vers l'aval suivant l'axe longitudinal X). La première cavité 34 et la deuxième cavité 35 sont séparées, au moins en partie, par une première cloison radiale 36 qui a une extrémité libre radialcment externe 37, ici semi-cylindrique. Cette dernière est située au niveau de l'extrémité libre 38 de l'aube (opposée radialcment à l'extrémité de raccordement au pied de l'aube). L'extrémité libre 38 de la pale comprend par ailleurs, une paroi de fermeture 39 comme cela est représenté schématiquement sur la figue 4 qui permet de contenir l'air de refroidissement à l'intérieur de la pale pour son refroidissement. La longueur radiale de la cloison est inférieure à la hauteur radiale entre la paroi de fermeture et l'extrémité interne de raccordement de la pale au pied. [0031] La première cavité 34 et la deuxième cavité 35 sont reliées (et/ou communiquent entre elles) par un premier passage 40 de fluide de refroidissement qui est situé en partie supérieure de la cloison radiale 36, suivant l'axe radial, et qui est délimité au moins en partie par l'extrémité libre radialement interne 37. La paroi de fermeture 39 délimite également le premier passage 40. Le passage est courbe. L'extrémité libre radialement externe comprend un congé présentant une surface externe 51 et qui relie deux flancs opposés de la cloison radiale 36 suivant la corde de la pale. [0032] La cloison radiale 36 relie une première paroi à une deuxième paroi opposées de la pale sensiblement suivant l'axe transversal respectivement dans des zones de raccordement 47. Dans l'exemple représenté, la première paroi est en contact avec l'environnement extérieur de la pale subissant les flux gazeux chauds et est formée par la paroi extrados 25. La deuxième paroi est quant à elle formée par une paroi interne 41 qui s'étend d'une part, suivant l'axe radial et d'autre part, suivant une direction sen- 7 siblement parallèle à la corde de l'aube (ou sensiblement suivant l'axe longitudinal X). [0033] Alternativement, la première paroi est formée par la paroi intrados puisque celle-ci subit également les flux gazeux chauds. Dans ce cas, la cloison radiale s'étend transversalement entre la paroi intrados 24 et la paroi interne 41 auxquelles celle-ci est reliée avec des zones de raccordement respectivement. Suivant encore une autre alternative, la cloison 36 est reliée à la paroi intrados et à la paroi extrados entre lesquelles celle-ci s'étend transversalement. [0034] En amont de la première cavité 34 est agencée une cavité amont 43 qui s'étend ra- dialement le long du voisinage du bord d'attaque. Une troisième cavité 45 est située en aval de la deuxième cavité 35. Cette troisième cavité est séparée de la deuxième cavité par une deuxième cloison 46 qui s'étend transversalement entre la paroi extrados et une portion de la paroi interne 41. La deuxième cloison 46 est raccordée à la paroi de fermeture 39 à son extrémité radialement externe tandis que son extrémité radialement interne est libre pour former un deuxième passage d'air de refroidissement. Une cavité intrados 44 s'étend suivant l'axe radial et transversalement entre la paroi interne 41 et la paroi intrados 40. [0035] Les cavités 34, 35, 45 ferment le conduit de type trombone. [0036] En référence aux figures 3 et 4, la zone de raccordement 47 (située entre la paroi extrados et la cloison) présente un épaississement 48 ayant une section transversale générale sensiblement triangulaire. Cette section a en particulier la forme d'un triangle rectangle. Les deux côtés du triangle adjacents à l'angle droit sont formés par une portion de paroi intrados et une portion de cloison. L'épaississement 48 s'élève de l'extrémité libre radialement externe 37 de la cloison depuis un bord 49 ici semi-circulaire. [0037] Sur la figure 4 très schématique en particulier, l'épaississement 48 présente une surface périphérique externe 50 qui est reliée à la surface externe 51 sensiblement de l'extrémité libre radialement externe de la cloison avec une continuité de surface. La surface périphérique externe 50 présente une arête de sommet 52 inclinée (hypoténuse du triangle rectangle) suivant un angle alpha (a) prédéterminé par rapport à une ligne 53 de l'extrémité libre radialement externe 37 qui est perpendiculaire à la paroi extrados (et/ou qui définit un plan médian PM1 (dans le plan de la figure 4) de la cloison). Cet angle prédéterminé est avantageusement, mais non limitativement compris entre 30° et 50°. Préférentiellement, l'angle prédéterminé est compris entre 36° et 45°. L'angle prédéterminé est un compromis entre l'amélioration de la tenue mécanique (réduction des contraintes) et une faible obstruction de la section de passage du passage 40 (décrit ci-après) afin de limiter les pertes de charges s'agissant de l'aube et une réduction de section du noyau de fonderie (décrit ci-après) qui pourrait fragiliser celui-ci, s'agissant de l'ensemble de fonderie. Cette plage préférentielle de valeur de 8 l'angle correspond aux optima. [0038] L'épaississement 48 présente une largeur prédéterminée L mesurée entre la surface interne 25a de la paroi extrados et le bord 49 depuis lequel s'élève l'épaississement de l'extrémité radialement externe (en particulier du sommet de l'arête de sommet 52). La largeur prédéterminée est égale ou inférieure à la moitié de la largeur de la cloison suivant l'axe transversal. Dans le présent exemple, la largeur de la cloison est de l'ordre de 2.40 mm. [0039] L'épaississement 48 comprend également une première portion de surface 54 courbe avec un premier rayon R1 qui relie la surface périphérique externe 50 à la surface externe Si de l'extrémité libre radialemcnt externe 37 de la cloison. Dans cet exemple, la première portion de surface est concave. Le deuxième rayon est de l'ordre de 3.6 mm. L'épaississement 48 comprend encore une deuxième portion de surface courbe 55 avec un deuxième rayon R2 qui relie la surface périphérique externe 50 à la surface interne 25a de la paroi extrados. Le deuxième rayon R2 est supérieur au premier rayon Ri. De même, la deuxième portion de surface est concave. Dans le présent cas, le deuxième rayon est de l'ordre de 5 mm. [0040] Le passage 40 présente une section S transversale qui est fonction de la largeur pré- déterminée L de l'épaississement suivant l'axe transversal, de l'angle alpha d'inclinaison, du premier rayon, et du deuxième rayon. Cela permet de limiter l'obstruction du passage du flux d'air de refroidissement de la première cavité à la deuxième cavité. La section prédéterminée est de l'ordre de 23,7 mm en prenant en compte les exemples de dimensions décrit ci-dessus. [0041] Avantageusement, mais non lirnitativement l'aube est réalisée dans un alliage mé- tallique et suivant un procédé de fabrication utilisant la technique de fonderie à cire perdue ou modèle perdu. L'alliage métallique est de préférence à base de Nickel et peut être monocristallin. [0042] Ce procédé comprend une première étape de fabrication d'un ou de plusieurs noyaux de fonderie. Dans le présent exemple, l'aube comprenant une pale pourvue de plusieurs cavités est réalisée à partir de plusieurs noyaux de fonderie formant un ensemble de fonderie. Ce dernier comprend en particulier un premier noyau et un deuxième noyau qui sont réalisés dans un matériau réfractaire tel qu'un matériau céramique. Le premier noyau présente la forme complémentaire des cavités de circulation de fluide de refroidissement dans la pale. En particulier, le premier noyau comprend une zone de jonction entre une première et une deuxième aile allongées suivant une hauteur radiale, la zone de jonction ayant une forme complexe destinée à former en négatif la zone de raccordement entre la première paroi de la pale et la cloison. [0043] Le premier et le deuxième noyaux sont assemblés ensemble par des éléments de liaison pour les maintenir en position l'un par rapport à l'autre. 9 [0044] Suivant une autre étape du procédé, de la cire ou un matériau équivalent est injectée autour des noyaux qui sont disposés préalablement, de manière avantageuse, mais non limitativement, dans une presse. Une fois que la cire est refroidie, nous obtenons un modèle comprenant les noyaux noyés dans la cire. [0045] Le modèle est disposé sur une colonne avec d'autres modèles similaires de manière à former une grappe. [0046] Le procédé comprend en outre la réalisation d'une carapace dans un matériau ré- fractaire autour de la grappe et qui fait office de moule. Le matériau réfractaire est dans le présent exemple une céramique. La carapace est réalisée en immergeant la grappe plusieurs fois dans une barbotine en céramique. [0047] Suivant une autre étape du procédé, du métal en fusion est versé ou coulé à l'intérieur de la carapace de manière à combler les cavités obtenus lors du retrait de la cire dans les modèles en particulier et destinés à former les pièces métalliques, ici les aubes de turbine. En effet, préalablement à cette étape de versement de métal, il est réalisée une étape de retrait de la cire. [0048] Lorsque la carapace est refroidie et solidifiée, un étape de décochage permet de détruire la carapace et les noyaux dans les pièces métalliques (aube) de manière à faire paraître l'aube finale et les cavités de circulation de fluide de refroidissement. [0049] Sur les figures 5 et 6 sont représentées des cartographies à ISO échelle des contraintes mécaniques qui sont susceptibles de déformer la paroi extrados de la pale au niveau de la zone de raccordement 47 avec la cloison. Sur la figure 6 nous voyons en perspective et en vue de dessus la zone de raccordement classique d'une pale de l'art antérieur où est formé un angle droit entre la paroi extrados et la cloison et sur la figure 5 la zone de raccordement avec un épaississement localisé avec une section transversale de forme triangulaire. Avec l'épaississement localisé, la contrainte mécanique est réduite de l'ordre de 15%. En effet, avec la zone de raccordement à angle droit la contrainte maximale est concentrée dans la zone de raccordement et présente une forme de croissant de part et d'autre de l'angle droit. La contrainte maximale est de l'ordre de 932 Mpa. En revanche, avec l'épaississement de la zone de raccordement, la contrainte est répartie sur toute la zone de raccordement et la contrainte maximale présente une forme de petit pois et atteint 788 Mpa ce qui est un gain non négligeable. [0050] La figure 7 illustre également une cartographie des contraintes localisées sur la paroi extrados et suivant une coupe radiale de la pale au niveau de la zone de raccordement. Nous voyons que l'épaississement 48 fait saillie vers l'intérieur de la pale depuis la surface interne 25a, suivant l'axe transversal T. En particulier, nous voyons que l'épaississement présente une section radiale en forme en U ouvert. Une telle configuration permet de décaler la zone de contrainte vers l'intérieur de la pale qui est plus froide que la paroi extrados où le gradient thermique est important. Avant cet épaississement la zone de contrainte maximale se trouvait dans la paroi extrados alors qu'avec cette solution, la zone dc contrainte est décalée au-delà de la limite dc la paroi extrados (surface interne) et est située dans l'épaississement et proche de la cloison elle-même à l'intérieur de la pale. 11 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5]