Brevet FR3119640A1 — publié le 20220812

L’invention se rapporte à un composant de turbomachine tel qu’une aube, comprenant une paroi dotée d’au moins un orifice de refroidissement ayant une portion de dosage et une portion de diffusion (33). Selon l’invention, la portion de diffusion (33) comprend un unique lobe (38) délimité par des arêtes (40, 41) rectilignes sur toute leur étendue. Figure pour l’abrégé : Fig. 4 Paroi pourvue d’un orifice de refroidissement ayant une portion de diffusion à lobe unique L’invention se rapporte au domaine des turbomachines d’aéronef et au domaine du refroidissement par film d’air de composants tels que des aubes de turbine. État de la technique antérieure Une turbine de turbomachine conventionnelle comprend au moins un distributeur et au moins une roue mobile comportant chacun des aubes exposées à des gaz chauds de combustion. Afin de préserver l’intégrité mécanique des aubes, il est connu d’y introduire de l’air frais et de les pourvoir d’orifices de refroidissement configurés pour orienter une partie de cet air frais sur leur surface externe de manière à former un film de protection thermique. Un orifice de refroidissement d’aube conventionnel comprend une portion de dosage, aussi appelée « portion calibrante », généralement cylindrique qui permet de régler la quantité d’air traversant cet orifice et une portion de diffusion évasée améliorant la répartition de l’air de refroidissement sur la surface externe de l’aube. Le flux d’air frais sortant d’un orifice de refroidissement conventionnel est exposé à des tourbillons contrarotatifs qui se forment au niveau de la section de sortie de cet orifice, ce qui entraîne un décollement du flux d’air frais et une ingestion de gaz chauds au sein de l’orifice de refroidissement. Il en résulte une diminution de l’efficacité du refroidissement. Dans l’état de la technique antérieure, la portion de diffusion est soit délimitée par une surface lisse dépourvue de discontinuités géométriques, soit elle comprend des lobes formés en creux dans la paroi de l’aube. Dans une portion de diffusion conventionnelle comprenant un lobe central et deux lobes latéraux, les lobes latéraux permettent de protéger l’écoulement du lobe central des tourbillons contrarotatifs, ce qui permet d’améliorer l’efficacité du refroidissement. La réalisation de lobes augmente le coût et la durée de fabrication des aubes, a fortiori lorsqu’ils présentent une géométrie complexe. Un but de l’invention est de simplifier la fabrication d’un tel orifice de refroidissement tout en préservant une efficacité du refroidissement satisfaisante lors de sa mise en œuvre. A cet effet, l’invention a pour objet un composant pour turbomachine, comprenant une paroi présentant une première surface et une deuxième surface opposée par rapport à la première surface, la paroi comprenant un orifice de refroidissement configuré pour acheminer un fluide de refroidissement de la première à la deuxième surface à travers la paroi, l’orifice de refroidissement comprenant une portion de dosage qui débouche sur la première surface et une portion de diffusion qui débouche sur la deuxième surface, la portion de diffusion étant délimitée par une surface évasée qui définit une direction principale d’écoulement au sein de cette portion de diffusion, la surface évasée comprenant deux arêtes délimitant un lobe qui s’étend le long de la direction principale d’écoulement entre une extrémité amont formée par une première extrémité des arêtes et une extrémité aval formée par une deuxième extrémité des arêtes. Selon l’invention, le lobe est unique au sein de la portion de diffusion et la surface évasée est plane de part et d’autre du lobe, les arêtes étant rectilignes sur toute leur étendue. De manière conventionnelle dans le domaine de l’invention, un lobe est une partie de la portion de diffusion formée en creux dans la paroi et définissant un conduit ou une cannelure qui présentant une section relativement petite par rapport à la section totale de la portion de diffusion. Le lobe de l’invention permet de canaliser une fraction du fluide de refroidissement et de l’éloigner de la zone d’influence des tourbillons contrarotatifs se formant au niveau de la sortie de la portion de diffusion. Cela permet de réduire l’ingestion de gaz chauds dans l’orifice de refroidissement, en particulier dans le lobe, et de réduire ou éviter le phénomène de décollement du fluide canalisé par le lobe. La présence d’un unique lobe dans la portion de diffusion favorise la canalisation de cette fraction de fluide. L’invention permet ainsi d’améliorer l’efficacité du refroidissement. De plus, l’unicité du lobe et sa délimitation par des arêtes rectilignes sur toute leur étendue, c’est-à-dire par des arêtes intégralement droites dépourvues de parties courbées, simplifie la fabrication du composant. De préférence, la deuxième extrémité de chacune des arêtes forme un point de délimitation entre la deuxième surface et la surface évasée. Autrement dit, il est préféré que le lobe s’étende jusqu’à la sortie de la portion de diffusion. Cela permet de simplifier encore davantage l’usinage du lobe tout en améliorant l’efficacité du refroidissement. Dans un mode de réalisation, le lobe présente une section croissante le long de la direction principale d’écoulement, dans un sens allant d’une entrée de la portion de diffusion à une sortie de la portion de diffusion. A cet effet, les arêtes peuvent être obliques l’une par rapport à l’autre et/ou la profondeur du lobe peut être croissante le long de la direction principale d’écoulement. Dans un mode de réalisation, la surface évasée comprend deux portions planes délimitées chacune par l’une respective des arêtes de manière à s’étendre de part et d’autre du lobe. Les portions planes sont de préférence obliques par rapport à un axe de la portion de dosage. Une telle géométrie favorise l’éloignement du fluide canalisé par le lobe de la zone d’influence des tourbillons contrarotatifs, ce qui permet d’améliorer encore davantage l’efficacité du refroidissement. Dans un mode de réalisation, le lobe présente une section parabolique ou semi-circulaire ou triangulaire ou rectangulaire. De préférence, le lobe présente une profondeur maximale inférieure ou égale au triple d’un diamètre de la portion de dosage, plus préférentiellement inférieure ou égale à la moitié du diamètre de la portion de dosage. Dans un mode de réalisation, le lobe présente un axe médian oblique par rapport à la direction principale d’écoulement. L’invention a aussi pour objet une turbine pour turbomachine, comprenant une roue mobile, un distributeur et au moins un composant tel que défini ci-dessus formant une aube de la roue mobile ou du distributeur. L’invention a aussi pour objet une chambre de combustion pour turbomachine, comprenant au moins un composant tel que défini ci-dessus formant une paroi de la chambre de combustion. L’invention a aussi pour objet une turbomachine pour un aéronef tel qu’un avion ou un hélicoptère, comprenant une telle turbine et/ou une telle chambre de combustion. Selon un autre aspect, l’invention a pour objet un procédé de fabrication d’un composant tel que défini ci-dessus. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend une étape d’usinage par électroérosion de la portion de diffusion. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de traitement par laser de ladite troisième surface de la paroi. Cela permet de réduire la durée et le coût de fabrication. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée, non limitative, qui suit. La description détaillée qui suit fait référence aux dessins annexés sur lesquels : est une vue schématique en coupe longitudinale d’un ensemble propulsif d’aéronef ; est une vue schématique en perspective d’une aube de roue mobile d’une turbine de l’ensemble propulsif de la ; est une vue schématique en coupe transversale d’une paroi comprenant un orifice de refroidissement conforme à l’invention ; est une vue schématique en perspective d’une surface délimitant une portion de diffusion d’un orifice de refroidissement conforme à l’invention ; est une vue schématique d’une section de sortie formée par la portion de diffusion de la , illustrant un flux d’air frais canalisé par un lobe de la portion de diffusion et des tourbillons contrarotatifs de fluide se formant au niveau de la section de sortie ; , , , et sont des vues schématiques de différentes géométries d’une section d’un lobe formé par une portion de diffusion d’un orifice de refroidissement conforme à l’invention, dans un plan perpendiculaire à une direction principale d’écoulement ; , , , , et sont des vues schématiques de différentes géométries d’un lobe formé par une portion de diffusion d’un orifice de refroidissement conforme à l’invention. Description détaillée de modes de réalisation La montre un ensemble propulsif 1 d’aéronef (non représenté) comprenant une turbomachine 2 et une nacelle 3 s’étendant autour d’un axe central longitudinal A1. Par la suite, les termes « amont » et « aval » sont définis relativement à un sens S1 d’écoulement des gaz à travers l’ensemble propulsif 1 le long de l’axe A1. Dans l’exemple de la , la turbomachine 2 est un turboréacteur à double flux comprenant, de l’amont vers l’aval, une soufflante 4, un compresseur basse pression 5, un compresseur haute pression 6, une chambre de combustion 7, une turbine haute pression 8 et une turbine basse pression 9. Les compresseurs 5 et 6, la chambre de combustion 7 et les turbines 8 et 9 forment un générateur de gaz. Lors du fonctionnement du turboréacteur 2, un écoulement d’air 10 pénètre dans l’ensemble propulsif 1 par une entrée d’air de la nacelle 3, traverse la soufflante 4 puis se divise en un flux primaire 10A central et un flux secondaire 10B. Le flux primaire 10A s’écoule dans un conduit primaire 11A de circulation des gaz au sein du générateur de gaz. Le flux secondaire 10B s’écoule quant à lui dans un conduit secondaire 11B entourant le générateur de gaz et délimité radialement vers l’extérieur par la nacelle 3. De manière connue en soi, les turbines 8 et 9 comprennent chacune au moins un distributeur et au moins une roue mobile comportant chacun des aubes, visibles sur la , qui s’étendent dans le conduit primaire 11A. La montre une aube 20 pour une roue mobile équipant dans cet exemple la turbine haute pression 8. L’aube 20 présente une structure générale conventionnelle, incluant une pale 21, un pied 22 destiné à coopérer avec un logement d’un disque (non représenté) de la roue mobile et une plateforme 23 destinée à délimiter radialement vers l’intérieur le conduit primaire 11A. En service, la pale 21 s’étend dans le conduit primaire 11A et est par conséquent exposée aux gaz chauds provenant de la chambre de combustion 7 (voir ). De manière connue en soi, le turboréacteur 2 comprend un circuit de refroidissement permettant d’acheminer de l’air frais jusque dans une cavité interne 25 de l’aube 20. L’aube 20 comprend des orifices de refroidissement 26 reliant une surface interne (non visible sur la ) de la pale 21 à une surface externe 27 de la pale 21, la surface interne délimitant la cavité interne 25, la surface externe 27 étant exposée au flux primaire 10A. Les orifices de refroidissement 26 permettent d’évacuer une partie de l’air frais circulant dans la cavité interne 25 de l’aube 20 de manière à former sur la surface externe 27 un film d’air frais protégeant la pale 21 des gaz chauds de combustion 10A. L’invention se rapporte à la géométrie de tels orifices de refroidissement 26. Il est représenté à la une partie d’une paroi 30 comprenant un orifice de refroidissement 26 conforme à l’invention. La paroi 30 présente une première surface 31 délimitant un premier espace 25 et une deuxième surface 27, opposée par rapport à la première surface 31, délimitant un deuxième espace 11A. La distance entre la première surface 31 et la deuxième surface 27 définit une épaisseur de la paroi 30. L’orifice de refroidissement 26 est configuré pour acheminer un fluide de refroidissement circulant dans le premier espace 25 jusque dans le deuxième espace 11A à travers la paroi 30, c’est-à-dire de la première surface 31 à la deuxième surface 27, de manière à former un film de fluide de refroidissement sur la deuxième surface 27. Dans cet exemple, la paroi 30 de la forme la pale 21 de l’aube 20 de la , de sorte que ladite première surface 31 forme la surface interne de la pale 21, ladite deuxième surface forme la surface externe 27 de la pale 21, ledit premier espace corresponde à la cavité interne 25 de l’aube 20 et ledit deuxième espace corresponde au conduit primaire 11A du turboréacteur 2. De manière non limitative, dans des modes de réalisation non détaillés, la paroi 30 de la peut former une aube de roue mobile et/ou de distributeur de la turbine haute pression 8 et/ou de la turbine basse pression 9 et/ou une paroi de la chambre de combustion 7. La présente description s’applique par analogie à ces modes de réalisation. De plus, la paroi 30 peut comprendre plusieurs orifices de refroidissement 26 tels que décrits ci-après en référence aux figures 3 et suivantes. En référence à la , l’orifice de refroidissement 26 comprend une portion de dosage 32, ou portion calibrante, qui débouche sur la première surface 31 de manière à former une entrée 35 de l’orifice de refroidissement 26 et une portion de diffusion 33 qui débouche sur la deuxième surface 27 de manière à former une sortie 36 de l’orifice de refroidissement 26. Dans cet exemple, la portion de dosage 32 a une section cylindrique de diamètre X1 et présente un axe central A2 oblique par rapport à la première surface 31. La portion de dosage 32 permet de doser ou calibrer la quantité d’air de refroidissement pénétrant dans l’orifice de refroidissement 26 par l’entrée 35, en provenance du premier espace 25. La portion de diffusion 33 prolonge la portion de dosage 32 de sorte que le flux d’air pénétrant dans l’orifice de refroidissement 26 par l’entrée 35 puisse en sortir par la sortie 36. En référence à un sens d’écoulement S2 du flux d’air de refroidissement traversant ainsi l’orifice de refroidissement 26, l’extrémité aval 37 de la portion de dosage 32, c’est-à-dire la sortie de la portion de dosage 32, forme aussi l’extrémité amont de la portion de diffusion 33, c’est-à-dire l’entrée de la portion de diffusion 33. La portion de diffusion 33 est évasée de sorte que la section de sortie 36 ait une aire supérieure à l’aire de l’extrémité amont 37 de la portion de diffusion 33 et par conséquent supérieure à l’aire de la section d’entrée 35. La portion de diffusion 33 comprend un lobe 38 unique permettant de canaliser une fraction du fluide de refroidissement traversant l’orifice de refroidissement 26. La portion de diffusion 33, incluant le lobe 38, est formée par enlèvement de matière dans la paroi 30 de sorte que celle-ci forme une troisième surface 34 qui délimite la portion de diffusion 33. La portion de diffusion 33 étant délimitée par la troisième surface 34, cette dernière est aussi appelée « surface évasée ». Dans l’exemple de la , la surface évasée 34 forme un creux 39 définissant une ligne qui prolonge la portion de dosage 32 parallèlement à l’axe A2 de la portion de dosage 32. L’orifice de refroidissement 26 forme ainsi une ligne droite depuis l’entrée 35 jusqu’à la sortie 36. L’évasement de la portion de diffusion 33 de la n’est donc pas symétrique autour de l’axe A2 de la portion de dosage 32. Il en résulte que la portion de diffusion 33 définit une direction A3 principale d’écoulement au sein de cette portion de diffusion 33 qui forme un angle non nul avec l’axe A2 de la portion de dosage 32. La illustre la géométrie de la surface évasée 34 de la paroi 30, c’est-à-dire les contours de la portion de diffusion 33 de l’orifice de refroidissement 26 de la . En référence aux figures 3 et 4, la surface évasée 34 comprend deux arêtes 40 et 41 s’étendant le long de la direction A3 et qui délimitent le lobe 38 circonférentiellement autour de cette direction A3. Plus précisément, les arêtes 40 et 41 s’étendent le long de la direction A3 entre l’entrée 37 de la portion de diffusion 33 et la sortie 36 de l’orifice de refroidissement 26. Dans cet exemple, le lobe 38 s’étend sur toute la longueur de la portion de diffusion 33. Autrement dit, le lobe 38 présente le long de la direction principale d’écoulement A3 une extrémité amont délimitée par une première extrémité des arêtes 40 et 41 qui coïncide avec l’entrée 37 de la portion de diffusion 33 et une extrémité aval délimitée par une deuxième extrémité des arêtes 40 et 41 qui coïncide avec la section de sortie 36. Ainsi, dans cet exemple, la deuxième extrémité de chacune des arêtes 40 et 41 forme un point, respectivement 45 et 46, délimitant l’une par rapport à l’autre la deuxième surface 27 et la surface évasée 34 de la paroi 30. Les arêtes 40 et 41 sont rectilignes sur toute leur étendue, ce qui facilite l’usinage du lobe 38. En référence à la , la surface évasée 34 comprend deux portions sensiblement planes 43 et 44, la portion plane 43 étant délimitée par l’arête 40, la portion plane 44 étant délimitée par l’arête 41. Les portions planes 43 et 44 s’étendent ainsi de part et d’autre du lobe 38. Cette configuration permet notamment de simplifier l’usinage de la portion de diffusion 33 en usinant lors d’une première étape la partie de la portion de diffusion 33 hors lobe 38 de manière à former une surface place intégrant les portions planes 43 et 44. Lors d’une deuxième étape ultérieure, la paroi 30 est usinée par enlèvement de matière au niveau de cette surface plane de manière à former le lobe 38. Dans cet exemple, les portions planes 43 et 44 sont obliques par rapport à l’axe A2 de la portion de dosage 32 et s’étendent en vis-à-vis du creux 39 formé par la surface évasée 34 (voir ). Suivant le sens d’écoulement S2, les portions planes 43 et 44 s’éloignent de l’axe A2 de la portion de dosage 32. Le lobe 38 présente dans cet exemple une section croissante le long de la direction principale d’écoulement A3, dans le sens d’écoulement S2. En référence aux figures 3 et 4, le lobe 38 présente un axe médian A4 oblique par rapport à la direction principale d’écoulement A3. Dans cet exemple, les axes A2 et A4 ainsi que la direction A3 appartiennent à un plan de symétrie de la portion de diffusion 33 et de l’orifice de refroidissement 26. Il est représenté à la la section de sortie 36 de l’orifice de refroidissement 26, un flux 50 d’air de refroidissement canalisé par le lobe 38 ainsi que des tourbillons 51 contrarotatifs se formant au niveau de la section de sortie 36. Le lobe 38 permet d’éloigner le flux 50 qu’il canalise de la zone d’influence des tourbillons contrarotatifs 51. De préférence, la largeur maximale du lobe 38, c’est-à-dire la distance Y1 maximale séparant les arêtes 40 et 41 l’une de l’autre est inférieure à la moitié de la largeur Y2 maximale de la section de sortie 36, qui correspond dans l’exemple de la à la distance entre l’extrémité de la portion plane 44 opposée à l’arête 41 et l’extrémité de la portion plane 43 opposée à l’arête 40. Les figures 6 à 10 montrent des exemples non limitatifs de section du lobe 38 dans un plan normal à la direction principale d’écoulement A3, en l’occurrence une section parabolique à la , une section semi-circulaire à la , une section composée d’une partie semi-circulaire et d’une partie rectangulaire à la , une section triangulaire à la et une section rectangulaire à la . Dans les exemples des figures 6 à 8, la partie de la surface évasée 34 formant le lobe 38 est lisse, sans discontinuité entre les arêtes 40 et 41, contrairement aux cas des figures 9 et 10 dans lesquels cette partie de la surface évasée 34 comprend une arête 60, ou respectivement deux arêtes 61 et 62, en fond de lobe 38. De préférence, la profondeur Y3 maximale du lobe 38, c’est-à-dire la distance entre le point le plus profond du lobe 38 et les arêtes 40 et 41 selon une direction normale à un plan passant par les arêtes 40 et 41, est inférieure ou égale au triple du diamètre X1 de la portion de dosage 32, plus préférentiellement inférieure ou égale à la moitié de ce diamètre X1. Dans tous ces exemples, le lobe 38 présente une symétrie latérale et admet par conséquent un plan de symétrie passant par l’axe médian A4 du lobe 38. Bien entendu, le lobe 38 peut présenter une asymétrie latérale sans sortir du cadre de l’invention. Dans l’exemple des figures 4 et 11, les arêtes 40 et 41 sont obliques l’une par rapport à l’autre de sorte que la distance Y1 les séparant l’une de l’autre augmente le long de l’axe médian A4 du lobe 38, dans le sens d’écoulement S2. Dans d’autres modes de réalisation, la distance Y1 précitée diminue le long de l’axe médian A4 du lobe 38 dans le sens d’écoulement S2 ( ) ou reste constante le long de cet axe A4 ( ). De préférence, la distance Y1 maximale est inférieure ou égale à 2,5 fois le diamètre X1 de la portion de dosage 32 (voir figures 3, 5 et 11-13). Indépendamment de l’évolution de la distance Y1 le long de l’axe médian A4, le lobe 38 peut présenter un axe médian A4 latéralement oblique par rapport à la direction principale d’écoulement A3 dans la portion de diffusion 33, de la manière illustrée à la . Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, le lobe 38 s’étend sur toute la longueur de la portion de diffusion 33, c’est-à-dire depuis l’entrée 37 de la portion de diffusion 33 jusqu’à la sortie 36 de l’orifice de refroidissement 26. Alternativement, le lobe 38 peut avoir une extrémité amont 70 située en aval de l’entrée 37 de la portion de diffusion 33, comme illustré à la , et/ou une extrémité aval 71 située en amont de la sortie 36 de l’orifice de refroidissement 26, comme illustré à la . Les inventeurs ont estimé qu’un orifice de refroidissement 26 comprenant une portion de diffusion 33 telle qu’illustrée à la permet d’obtenir un gain d’efficacité de refroidissement de plus de vingt pourcent par rapport à une portion de diffusion conventionnelle dépourvue de lobe, à taux de soufflage équivalent. Bien entendu, les arêtes 40, 41, 60, 61 et 62 qui sont représentées vives sur les figures peuvent présenter un faible rayon de courbure, de manière à former un arrondi ou un congé, compte tenu des contraintes de fabrication. Composant (20) pour turbomachine (2), comprenant une paroi (30) présentant une première surface (31) et une deuxième surface (27) opposée par rapport à la première surface (31), la paroi (30) comprenant un orifice de refroidissement (26) configuré pour acheminer un fluide de refroidissement de la première (31) à la deuxième surface (27) à travers la paroi (30), l’orifice de refroidissement (26) comprenant une portion de dosage (32) qui débouche sur la première surface (31) et une portion de diffusion (33) qui débouche sur la deuxième surface (27), la portion de diffusion (33) étant délimitée par une surface évasée (34) qui définit une direction principale d’écoulement (A3) au sein de cette portion de diffusion (33), la surface évasée (34) comprenant deux arêtes (40, 41) délimitant un lobe (38) qui s’étend le long de la direction principale d’écoulement (A3) entre une extrémité amont formée par une première extrémité des arêtes (40, 41) et une extrémité aval formée par une deuxième extrémité des arêtes (40, 41), caractérisé en ce que le lobe (38) est unique au sein de la portion de diffusion (33) et en ce que la surface évasée (34) est plane de part et d’autre du lobe (38), les arêtes (40, 41) étant rectilignes sur toute leur étendue. Composant (20) selon la revendication 1, dans lequel la deuxième extrémité de chacune des arêtes (40, 41) forme un point (45, 46) de délimitation entre la deuxième surface (27) et la surface évasée (34). Composant (20) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le lobe (38) présente une section croissante le long de la direction principale d’écoulement (A3), dans un sens allant d’une entrée (37) de la portion de diffusion (33) à une sortie (36) de la portion de diffusion (33). Composant (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la surface évasée (34) comprend deux portions planes (43, 44) délimitées chacune par l’une respective des arêtes (40, 41) de manière à s’étendre de part et d’autre du lobe (38). Composant (20) selon la revendication 4, dans lequel les portions planes (43, 44) sont obliques par rapport à un axe (A2) de la portion de dosage (32). Composant (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le lobe (38) présente une section parabolique ou semi-circulaire ou triangulaire ou rectangulaire. Composant (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le lobe (38) présente un axe médian (A4) oblique par rapport à la direction principale d’écoulement (A3). Turbine (8, 9) pour turbomachine (2), comprenant une roue mobile, un distributeur et au moins un composant (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 formant une aube (20) de la roue mobile ou du distributeur. Chambre de combustion (7) pour turbomachine (2), comprenant au moins un composant selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 formant une paroi de la chambre de combustion. Turbomachine (2) pour un aéronef tel qu’un avion ou un hélicoptère, comprenant une turbine (8, 9) selon la revendication 8 et/ou une chambre de combustion (7) selon la revendication 9.