Brevet FR3106617A1 — publié le 20210730

L’invention concerne un secteur aubagé statorique (23) monobloc de turbomachine comprenant une première et une deuxième plateformes (24 ; 26) s’étendant suivant une direction circonférentielle (AY) et destinées chacune à délimiter une portion d’une veine d’écoulement fluide (Vp), et des pales (22) qui relient chacune la première plateforme (24) à la deuxième plateforme (26) en étant espacées les unes des autres suivant la direction circonférentielle, dans lequel au moins deux pales (22) ont des épaisseurs différentes. Figure pour l’abrégé : Figure 3 SECTEUR AUBAGÉ STATORIQUE A PERFORMANCES AMELIORÉES La présente invention se rapporte au domaine des aubages statoriques de turbomachine, notamment aux distributeurs au sein des turbines basse pression. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE En référence à la figure 1, il est représenté une turbomachine 1 d’aéronef de type à double flux et à double corps. La turbomachine 1 présente un axe central AX, définissant une direction longitudinale, et autour duquel s’étendent ses différents composants. Elle comprend, d’amont AM en aval AV selon une direction principale d’écoulement des gaz 2, une soufflante 3, un compresseur basse pression 4, un compresseur haute pression 6, une chambre de combustion 7, une turbine haute pression 8 et une turbine basse pression 9. La turbomachine 1 est délimitée par un carter moteur 10 s’étendant depuis sa partie amont pour délimiter une manche d’entrée 11, jusqu’à sa partie aval pour délimiter une tuyère 12 d’éjection des gaz. De manière conventionnelle, l’air s’introduit dans la turbomachine 1 au travers de la manche d’entrée 11 pour rencontrer la soufflante 3. Après avoir traversé cette soufflante, l’air se divise en un flux primaire central Fp et un flux secondaire Fs qui entoure le flux primaire. Le flux primaire Fp s’écoule dans une veine primaire Vp de circulation des gaz traversant les compresseurs 4 et 6, la chambre de combustion 7 et les turbines 8 et 9, avant d'être évacué vers l'arrière par la tuyère 12. En particulier, l’énergie thermique et cinétique du flux primaire Fp en sortie de chambre de combustion est transformée en énergie mécanique lors de la traversée des turbines basse et haute pression en les faisant mouvoir. Le flux secondaire Fs circule dans un espace appelé veine secondaire Vs qui entoure la veine primaire Vp, étant séparée l’une de l’autre par un carter inter-veine 13. En pratique, les besoins accrus en performances des turbomachines nécessitent de réduire l’encombrement et le poids, de manière à réduire la consommation spécifique, ainsi qu’optimiser le travail effectué par les aubages des compresseurs et des turbines afin d’en améliorer le rendement global. Ces compresseurs et turbines peuvent être vus comme une succession d’étages, dont chaque étage est composé d’une partie aubagée rotorique, à savoir une partie tournante autour de l’axe central de la turbomachine, et d’une partie aubagée statorique laquelle est fixe et dont la fonction est de redresser le flux d’air en aval de la partie rotorique de l’étage directement en amont afin de compenser la giration du flux. Dans cette dynamique, le but de l’invention est de proposer une conception optimisée d’aubage statorique, notamment dans une application pour distributeur de turbine basse pression. A cet effet, l’invention a pour objet un secteur aubagé statorique monobloc de turbomachine comprenant une première et une deuxième plateformes s’étendant suivant une direction circonférentielle et destinées chacune à délimiter une portion d’une veine d’écoulement fluide, et des pales qui relient chacune la première plateforme à la deuxième plateforme en étant espacées les unes des autres suivant la direction circonférentielle, les pales comprenant chacune une paroi d’intrados et une paroi d’extrados s’étendant à mi-distance d’une surface de cambrure respective, dans lequel les surfaces de cambrure des pales sont identiques, et dans lequel au moins deux pales ont des épaisseurs différentes. Avec cette solution, le statut mécanique général du secteur aubagé statorique est amélioré : l’épaisseur de pales et la masse globale du secteur aubagé est limitée à iso-tenue aux efforts. Il en résulte un gain en performance de la turbomachine qui en est équipée. L’invention concerne également un secteur aubagé ainsi défini, comportant deux pales dont les épaisseurs maximales diffèrent. L’invention concerne également un secteur aubagé ainsi défini, comprenant deux pales ayant des épaisseurs moyennes qui diffèrent. L’invention concerne également un secteur aubagé ainsi défini, comprenant deux pales ayant des épaisseurs locales au bord de fuite qui diffèrent. L’invention concerne également un secteur aubagé ainsi défini, dans lequel les deux pales situées chacune à une extrémité circonférentielle du secteur sont plus épaisses qu’au moins une des autres pales. L’invention concerne également un secteur aubagé ainsi défini, dans lequel les pales sont agencées symétriquement par rapport à un plan médian du secteur de distributeur ont les mêmes épaisseurs. L’invention concerne également un distributeur de turbine comprenant au moins un secteur aubagé ainsi défini. L’invention concerne également une turbine de turbomachine comprenant un distributeur ainsi défini. L’invention concerne également une turbomachine comprenant une turbine ainsi définie. déjà décrite est un schéma de principe d'un turboréacteur à double flux en coupe longitudinale ; illustre une portion d’une turbine basse pression de turbomachine selon l’invention ; représente un secteur de distributeur selon l’invention ; représente un profil de pale de secteur de distributeur selon l’invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 2 représente une portion de la turbine basse pression 9 de la turbomachine 1 telle que décrite précédemment. Cette turbine basse pression 9 est formée d’une succession d’étages le long de la direction axiale de la turbomachine et dont le nombre est établi selon les besoins énergétiques du compresseur basse pression et de la soufflante qu’elle entraine en rotation. Dans l’exemple de la figure, on distingue quatre étages repérés par 16a, 16b, 16c et 16d. Chaque étage inclut un distributeur 17a, 17b, 17c, 17d en amont et une roue aubagée 18a, 18b, 18c et 18d en aval. La roue aubagée est une partie tournante extrayant de l’énergie au flux la parcourant pour se mouvoir, tandis que le distributeur 17a, 17b, 17c, 17d est une partie fixe dont le but est d’accélérer et de guider le flux provenant de la roue mobile de l’étage en amont en le redirigeant vers la roue mobile directement en aval. Les roues aubagée 18a, 18b, 18c, 18d comportent chacune un disque rotatif 19, centré sur l’axe central AX de la turbomachine, qui porte une cascade d’aubes rotatives 21 distribuées à intervalle régulier suivant une direction circonférentielle repérée par AY. Ces aubes rotatives 21 s’étendent chacune radialement, c’est à dire suivant la direction AZ orthogonale à la direction longitudinale de la turbomachine. Les disques 19 sont notamment reliés les uns aux autres par bridage. Les distributeurs 17a, 17b, 17c, 17d comportent chacun une rangée annulaire de pales fixes, notées 22, d’orientation radiale AZ, ou présentant au moins une composante radiale. Dans le cadre de l‘invention, l’ensemble des distributeurs 17a, 17b, 17c, 17d sont formés d’un assemblage de secteurs monobloc indépendants et agencés circonférentiellement bout-à-bout. Comme visible plus en détail sur la figure 3, un secteur de distributeur, repéré par 23, comporte deux plates-formes annulaires coaxiales 24 et 26, intérieure et extérieure respectivement, s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre et reliées entre elles par des pales 22 espacées les unes des autres suivant la direction circonférentielle AY. Dans l’exemple de la figure 3, le secteur comporte six pales, mais il est entendu que l’invention n’est pas limitée à ce dénombrement, le nombre de pales étant fonction de l’étendue angulaire du secteur 23 et des espaces inter-pales 22 pouvant varier selon l’étage de turbine considéré. La plateforme extérieure 26 comporte en outre un socle extérieur 27 formant interface de jonction avec les pales 22. De la même manière, la plateforme intérieure 24 comporte un socle intérieur 28 formant interface de jonction avec les pales 22, et délimitant une portion de la veine primaire Vp de la turbomachine, conjointement avec le socle extérieur 27. En particulier, le socle extérieur 27 est prolongé radialement par des bulbes 29 assurant la fixation du secteur 23 à un carter externe de turbine.. Le socle intérieur est quant à lui prolongé radialement par une âme 30, ayant la forme de la lettre T inversée, prévue pour assurer la fixation du secteur 23 à une portion correspondant de virole fixe portant des éléments en matériau abradable. D’une manière générale, chaque pale 22 comporte une paroi d’intrados 31 et une paroi d’extrados 32 qui sont espacées l’une de l’autre de part et d’autre d’un plan médian du profil de l’aube, repéré par 33 sur la figure 4. Ce plan médian, s’étendant à mi-distance des parois d’extrados et d'intrados, est appelé également squelette ou surface de cambrure, repéré par 33 sur la figure 4. Ces parois d’intrados 31 et d’extrados 32 sont réunies en une première extrémité du squelette 33 située dans une région amont AM de la pale par un bord d’attaque 34 et en une seconde extrémité du squelette 33 située dans une région aval AV de la pale par un bord de fuite 36. Le bord d’attaque et le bord de fuite sont notamment des parois bombées. Différents paramètres géométriques des pales de distributeur influencent les performances de la turbine. Parmi ces paramètres, on distingue notamment l’angle d’incidence, le calage, l’état de surface, ou encore le profil aérodynamique utilisé, ce dernier étant défini comme le contour de la pale en coupe orthogonale. Conçue en fonction de la direction d’arrivée du flux primaire Fp en bord d’attaque 34 et de la direction souhaitée de rabattement en bord de fuite 36, chaque pale 22 de secteur de distributeur s’étend entre les deux plateformes 24, 26 en se vrillant. En particulier, les pales 22 présentent chacune un profil aérodynamique qui est creux pour assurer la redirection du flux. Cette nature de profil est marquée par une paroi d’intrados 32 concave et une paroi d’extrados 32 convexe, vu du flux dans laquelle la pale 22 baigne. Le profil aérodynamique est en pratique établi sur la base d’un compromis pour assurer un niveau de rendement suffisant pour une résistance mécanique admissible, c’est-à-dire permettant de se prémunir de toute défaillance. Usuellement, les pales de l’ensemble des secteurs formant un distributeur présentent des paramètres géométriques identiques et adaptés aux paramètres d’écoulement à l’étage considéré, notamment en fonction de la pression du flux qui chute à chaque traversée d’un étage extrayant une quantité d’énergie donnée. La sectorisation des distributeurs est une particularité de conception adoptée par les motoristes du fait qu’elle permet de limiter les coûts de fabrication et d’allonger la durée de vie en service des distributeurs, la réutilisation d’un distributeur défectueux étant rendu possible en remplaçant avantageusement les secteurs endommagés en maintenance. Néanmoins, il a été observé que cette sectorisation a pour conséquence de rompre la symétrie cyclique des efforts telle qu’observée dans le cas d’un distributeur formé monobloc sur 360°, même si l’on considère que chaque distributeur est issu de l’assemblage de secteurs identiques et parfaitement accordés successivement. Autrement dit, l’étude des cartographies de contraintes montre une hétérogénéité des efforts au sein de chaque secteur de distributeur : suivant leur emplacement le long de la direction circonférentielle AY, les pales ne sont pas soumises aux mêmes chargements bien qu’identiques les unes des autres. A cet égard, la particularité de l’invention réside dans une optimisation du profil aérodynamique des pales 22 des secteurs de distributeur 23 en définissant l’épaisseur de chacune au juste besoin, l’épaisseur étant définie comme une distance mesurée entre les parois d’intrados et d’extrados 31 et 32 orthogonalement au squelette 33. Autrement dit, un secteur de distributeur selon l’invention comprend des pales présentant un squelette 33 identique et se distinguant entre elles par la quantité de matière avec laquelle elles sont formées. Comme il est compris, le secteur 23 selon l’invention réoriente le flux primaire d’amont en aval suivant la même direction, les pales conservant un squelette 33 identique, mais présente une masse optimisée. Concrètement, l’épaisseur qui différencie au moins deux pales d’un secteur de distributeur selon l’invention peut aussi bien désigner l’épaisseur relative, définie comme le ratio de l’épaisseur maximale sur la longueur de corde, l’épaisseur moyenne, ou encore une épaisseur locale mesurée en des points identiques du squelette des deux pales. Parmi l’ensemble des valeurs d’épaisseurs locales, on distingue notamment l’épaisseur maximale noté Em ou encore une épaisseur de bord de fuite Ef, définie à la jonction entre le bord de fuite et les parois d’intrados et d’extrados. En particulier, en comparant le comportement mécanique entre un distributeur usuel à pales identiques et formé monobloc, avec son équivalent usuel formé d’un assemblage de plusieurs secteurs à pales identiques, il apparait que seules les pales situées aux extrémités circonférentielles des secteurs sont sollicitées en traction-compression d’une ampleur atteignant celle des sollicitations observées pour l’ensemble des pales du distributeur monobloc. Autrement dit, les pales dites intérieures, ce terme désignant les pales autres que celles en extrémité circonférentielle du secteur de distributeur, apparaissent comme surdimensionnées selon ce cas de figure par rapport aux sollicitations mécaniques auxquelles elles sont soumises. Au regard de ce comparatif, l’invention prévoit selon un mode de réalisation de former les pales intérieures, repérées par 22i sur la figure 3, comprenant une épaisseur qui est inférieure à celle des pales en extrémité circonférentielle de secteur, notées 22e. Ces pales en extrémité circonférentielle, dite extérieures par opposition avec les pales intérieures, présentent quant à elles une épaisseur correspondante à celle mesurée dans l’état de la technique pour un même étage 16a, 16b, 16c, 16d de turbine. Avantageusement, l’épaisseur des pales intérieures 22i résulte d’une réduction de l’ordre de deux à cinq fois l’épaisseur des pales extérieures 22e. A titre d’exemple non limitatif, l’épaisseur maximale des pales intérieures 22i présente une valeur de 1mm lorsque l’épaisseur maximale des pales extérieures 22e présente une valeur de 3mm. Plus précisément, dans le cas où les valeurs d’efforts transitant sont symétriques par rapport à un plan médian du secteur de distributeur, l’invention prévoit avantageusement que les pales agencées symétriquement par rapport au plan médian aient les mêmes épaisseurs. Il est à noter que l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit de secteur de distributeur, à savoir avec les pales intérieures 22i présentant une épaisseur inférieure à celles d’extrémité de secteur 22e. Concrètement, l’invention permet des morphologies différentes dès lors que l’épaisseur des pales est optimisée au juste besoin. Cette condition selon l’invention se traduit par la formation d’un secteur de distributeur dont au moins deux pales ont des épaisseurs différentes, entendu que les pales constitutives du secteur sont sollicitées différemment en fonction de leur position relative. D’une manière générale, le remplacement de distributeurs usuels par des distributeurs formés d’un assemblage de secteurs selon l’invention assure un gain en performance, entendu qu’une réduction de la masse de la turbine basse pression 9 conduit à une diminution de la consommation spécifique de la turbomachine. Aussi, il est à noter qu’une réduction d’épaisseur des pales, en particulier au niveau du bord de fuite 36, tend à limiter la trainée ainsi que les phénomènes de sillages qui dissipent l’énergie du flux primaire Fp. Les roues mobiles 18 en aval des distributeurs 17 peuvent ainsi extraire une quantité supérieure d’énergie du flux, ce qui revient à gonfler le rendement de la turbine basse pression 9. L’optimisation de l’épaisseur de chacune des pales 22 a été expliquée comme s’effectuant au regard des sollicitations d’origines mécaniques auxquelles elles sont assujetties. De manière générale, l’épaisseur est l’un des paramètres influençant également le comportement du distributeur sous sollicitations d’origines différentes, comme par exemple l’amortissement vibratoire des phénomènes aéroélastiques, les déformations sous gradient de température, ou encore la tenue en fatigue. A cet égard, il doit être compris que ces différents cas de charges, et notamment leurs interactions, doivent être considérés en complément de la tenue sous sollicitions mécaniques lors de l’optimisation de l’épaisseur. Autrement dit, après avoir identifié, à l’étage 16a, 16b, 16c, 16d considéré, que certaines pales d’un secteur usuel à pales identiques, sont faiblement contraintes et donc éligibles à une réduction d’épaisseur pour aboutir à un secteur optimisé selon l’invention, il convient de fixer la nouvelle épaisseur au regard d’autres critères de dimensionnement afin de s’assurer de l’inexistence d’un effet pervers conduisant a posteriori à des surcoûts de re-conception. A cet égard, l’invention prévoit avantageusement que l’épaisseur des pales optimisées soit fixée au minimum à 0,2mm pour ce qui est de l’épaisseur locale au bord de fuite Ef, et au minimum à 0,7mm en ce qui concerne l’épaisseur locale dite maximale. L’invention permet d’augmenter les performances de la turbomachine équipée de tels secteurs monobloc à pales d’épaisseur optimisée, tout en conservant une maîtrise des coûts de fabrication. En effet, le procédé de fonderie, usuellement utilisé, reste compatible en utilisant des clés permettant d’obtenir les différentes formes souhaitées. Aussi, le recours à la fabrication additive est également envisageable, et en outre avantageux pour le cas où les différents étages 16a, 16b, 16c et 16d présentent chacun un distributeur comprenant des secteurs 23 à morphologie unique, ce procédé étant particulièrement bien adapté pour des fabrications en petites séries. Enfin, le secteur à performances optimisées par différenciation d’épaisseur de pales a été décrit pour une application de distributeur 17a, 17b, 17c, 17d de turbine basse pression 9. Cependant, il est à noter que l’invention reste applicable également pour la turbine haute pression 8, ou encore pour les compresseurs basse et haute pression 4, 6 dont les parties aubagées statoriques, désignées par redresseurs, assurent la même fonction de guidage de flux que les distributeurs de la turbine basse pression. Concrètement, l’invention se rapporte à un secteur aubagé statorique à performances améliorées. Secteur aubagé statorique (23) monobloc de turbomachine (1) comprenant une première et une deuxième plateformes (24 ; 26) s’étendant suivant une direction circonférentielle (AY) et destinées chacune à délimiter une portion d’une veine d’écoulement fluide (Vp), et des pales (22) qui relient chacune la première plateforme (24) à la deuxième plateforme (26) en étant espacées les unes des autres suivant la direction circonférentielle (AY), les pales comprenant chacune une paroi d’intrados (31) et une paroi d’extrados (32) s’étendant à mi-distance d’une surface de cambrure (33) respective, caractérisé en ce que les surfaces de cambrure (33) des pales (22) sont identiques, et en ce qu’au moins deux pales (22) ont des épaisseurs différentes. Secteur aubagé selon la revendication 1, comportant deux pales (22) dont les épaisseurs maximales (Em) diffèrent. Secteur aubagé selon la revendication 1, comprenant deux pales ayant des épaisseurs locales au bord de fuite (Ef) qui diffèrent. Secteur aubagé selon la revendication 1, comprenant deux pales ayant des épaisseurs moyennes qui diffèrent. Secteur aubagé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les deux pales (22e) situées chacune à une extrémité circonférentielle du secteur sont plus épaisses qu’au moins une des autres pales (22i). Secteur aubagé selon la revendication 5, dans lequel les pales (22) agencées symétriquement par rapport à un plan médian du secteur de distributeur ont les mêmes épaisseurs. Distributeur (17) de turbine (9) incluant au moins un secteur aubagé selon l’une des revendications précédentes. Turbine de turbomachine (9) comprenant un distributeur (17) selon la revendication 7. Turbomachine (1) comprenant une turbine (9) selon la revendication 8.