Brevet FR3124822A1 — publié le 20230106

Aube (20) pour une turbomachine d’aéronef, cette aube comprenant une pale (21) et un circuit de refroidissement (28) à l’intérieur de la pale, ce circuit de refroidissement (28) comportant au moins une cavité longitudinale (58) d’écoulement d’un flux d’air de refroidissement (RF), le circuit de refroidissement comportant en outre des éléments qui sont en saillie dans ladite cavité et qui sont configurés pour perturber ledit flux d’air, caractérisée en ce que chacun desdits éléments en saillie a une forme générale d’arche (50) et définit intérieurement, avec une première paroi (56), une première section de passage (S1-S1’), et extérieurement, avec une seconde paroi (60) opposée à la première paroi (56), une seconde section de passage (S2-S2’), et chacun desdits éléments étant configuré pour que ladite première ou seconde section de passage soit réduite d’amont en aval par rapport à la direction dudit flux d’air. Figure pour l’abrégé : Figure 4 AUBE DE TURBOMACHINE EQUIPEE D’UN CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT ET PROCEDE DE FABRICATION A CIRE PERDUE D’UNE TELLE AUBE Domaine de l’invention 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. Elle vise également un procédé de fabrication à cire perdue d’une telle aube. Arrière-plan technique 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. 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. Le circuit de refroidissement comprend en général plusieurs cavités à l’intérieur de la pale 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 d’air de refroidissement sur les parois de la pale. Il est connu que le circuit de refroidissement comprenne plusieurs cloisons s’étendant radialement dans la pale de manière à former des cavités « montantes » et « descendantes » disposées successivement suivant le sens de circulation de l’air de refroidissement et qui communiquent entre elles par des passages courbes. Ces cavités et passages sont connus sous l’expression de circuit « trombone ». Les cavités du circuit de refroidissement sont réalisées généralement par au moins un noyau de fonderie qui est exploité dans un procédé de fabrication de l’aube utilisant la technique de fonderie à cire perdue. Les cavités du circuit de refroidissement sont souvent munies de promoteurs de turbulence afin d’augmenter les échanges thermiques. Un promoteur de turbulence est un élément en saillie dans la cavité qui a pour fonction de générer des perturbations et turbulences dans le flux d’air qui circule dans la cavité, afin d’augmenter les échanges thermiques entre ce flux d’air et les parois de la cavité (voir par exemple le document FR-A1-3 065 985). Les promoteurs de turbulence usuels sont de différents types mais historiquement contraints par la capacité de démoulage nécessaires aux noyaux utilisés pour la formation des cavités et des promoteurs de turbulence. Parmi les formes courantes, on trouvera les perturbateurs simples, droits ou inclinés, en chevrons, les simples protubérances ou creux de forme cylindrique ou en goutte d’eau ou bien encore les pontets qui traversent les cavités et relient deux parois opposés (intrados et extrados typiquement). Ces perturbateurs, suivant leur type, leur espacement et leurs dimensions géométriques ont des efficacités thermiques différentes mais cette efficacité reste proportionnelle aux pertes de charge engendrées : dans un diagramme perte de charge / efficacité thermique, toutes ces géométries sont essentiellement alignées. Or, le taux de surpression disponible pour faire circuler l’air dans le circuit étant limité, il y a un fort intérêt à augmenter le ratio échange thermique / perte de charge. Les échanges thermiques obtenus sont par ailleurs peu homogènes. Il est, de plus, difficile d’augmenter les échanges thermiques sur une face (typiquement une paroi chaude), tout en limitant les échanges thermiques sur la face opposée (typiquement une cloison interne froide), car ces échanges augmentent inutilement les pertes de charge et augmentent le gradient de température entre la cloison interne froide et la paroi externe chaude, ce qui est néfaste pour la tenue mécanique de l’aube. Il existe donc un besoin de définir une technologie qui apporte une solution à au moins une partie de ces problèmes. L’objectif de la présente invention est d’améliorer le ratio échange thermique sur les parois chaudes / pertes de charge dans la cavité, par l’utilisation d’une nouvelle configuration des promoteurs de turbulence. Nous parvenons à cet objectif conformément à l’invention grâce à une aube de turbomachine d’aéronef, cette aube comprenant une pale et un circuit de refroidissement à l’intérieur de la pale, ce circuit de refroidissement comportant au moins une cavité longitudinale d’écoulement d’un flux d’air de refroidissement, le circuit de refroidissement comportant en outre des éléments qui sont en saillie dans ladite cavité et qui sont configurés pour perturber ledit flux d’air, caractérisée en ce que chacun desdits éléments en saillie a une forme générale d’arche et comporte deux jambes latérales et un toit médian, les jambes s’étendant entre une première paroi de la cavité et ledit toit, ce toit reliant entre elles lesdites jambes, et en ce que chacun desdits éléments définit intérieurement, avec ladite première paroi, une première section de passage, et extérieurement, avec une seconde paroi opposée à la première paroi, une seconde section de passage, et chacun desdits éléments étant configuré pour que ladite première ou seconde section de passage soit réduite d’amont en aval par rapport à la direction dudit flux d’air. La présente invention propose ainsi d’utiliser des éléments en saillie en forme d’arche. Ces éléments en saillie ont la particularité de permettre une réduction de la section de passage d’air à l’intérieur ou à l’extérieur d’eux, de façon à accélérer l’air qui traverse cette section de passage. L’augmentation de la vitesse d’écoulement de l’air sur la paroi à laquelle est reliée un élément en saillie, ou sur la paroi opposée, permet d’augmenter les échanges thermiques entre l’air et cette paroi et donc d’optimiser le refroidissement de l’aube. Le principe de l’invention est donc d’augmenter les échanges thermiques en jouant sur la vitesse d’écoulement de l’air plutôt que sur les turbulences. En effet, les turbulences augmentent les pertes de charge en même temps que les échanges thermiques alors que l’accélération augmente les échanges thermiques tout en affinant la couche limite donc en réduisant les pertes de charge. De plus, l’établissement de la turbulence nécessite la mise en place de plusieurs promoteurs avant d’atteindre un niveau optimal pour l’augmentation des échanges thermiques et ne peut, de ce fait être utilisé pour un refroidissement très local. L’aube comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - le toit comportant une première face qui est en regard de la première paroi, et une seconde face qui est en regard de la seconde paroi, au moins l’une des première et seconde faces étant inclinée par rapport à la paroi en regard, d’amont en aval par rapport à la direction dudit flux d’air, de façon à réduire la section de passage correspondante ; - ledit toit de chacun desdits éléments en saillie est incliné par rapport auxdites première et seconde parois - lesdites première et seconde faces sont sensiblement parallèles entre elles ; - lesdits éléments en saillie sont disposés les uns derrière les autres à l’intérieur de ladite cavité et forment une rangée d’éléments en saillie s’étendant le long de ladite direction dudit flux d’air, la rangée comportant par exemple entre 5 et 10 éléments en saillie ; - lesdites jambes de chacun desdits éléments en saillie sont séparées l’une de l’autre d’une distance représentant plus de 40% d’une largeur de ladite cavité ; - lesdites jambes de chacun desdits éléments en saillie sont orientées de manière convergente d’amont en aval ; - lesdites jambes et ledit toit de chacun desdites éléments en saillie comportent des bords amont qui sont arrondis convexes ; - ledit toit de chacun desdites éléments en saillie est situé sensiblement à une demi hauteur dans ladite cavité, cette hauteur étant mesurée entre lesdites première et seconde parois ; - chacun desdites éléments en saillie définit une section interne de passage d’air qui a une forme générale rectangulaire, circulaire, oblongue ou trapézoïdale ; -- la réduction de la section de passage depuis l’entrée jusqu’à la sortie de chacun des éléments en saillie, est de l’ordre d’au moins 10% ; -- la section de passage à l’intérieur et à l’entrée de chacun des éléments en saillie peut représenter au moins 25% de la section de passage totale de la cavité ; -- chacun des éléments en saillie a une longueur notée L3 et a une entrée présentant une hauteur notée h, la longueur L3 étant comprise entre 0,5.h et 3.h. La présente invention concerne également un procédé de fabrication à cire perdue d’une aube telle que décrite ci-dessus, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : fournir un noyau céramique ou métallique réfractaire pour la formation de ladite cavité, ce noyau ayant une forme allongée et comportant des conduits internes en U qui sont configurés pour former par moulage lesdits éléments en saillie, chacun de ces conduits comportant chacun deux extrémités qui débouchent sur une même face du noyau configuré pour former par moulage ladite première paroi, injection de cire de manière à enrober le noyau et à former un modèle, fabrication d’une carapace enveloppant le modèle, versement d’un métal en fusion à l’intérieur de la carapace de manière à former l’aube, et décochage de la carapace et du noyau de manière à libérer l’aube et à former le circuit de refroidissement avec sa cavité et ses éléments en saillie. L’invention concerne en outre une turbine de turbomachine comprenant au moins une aube de turbomachine présentant les caractéristiques susmentionnées. L’invention concerne par ailleurs une turbomachine comprenant au moins une turbine de turbomachine telle que précitée. Brève description des figures 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 : La est une vue schématique en coupe axiale et partielle d’un exemple de turbomachine à laquelle s’applique l’invention ; La est une vue schématique une coupe axiale d’une aube de turbomachine avec un circuit de refroidissement selon l’invention ; La est une vue schématique en coupe transversale d’une pale d’une aube de turbomachine comprenant un circuit de refroidissement avec diverses cavités ; La est une vue en perspective d’éléments en saillie qui sont situés dans une cavité d’un circuit de refroidissement d’une aube selon l’invention ; Les figures 5A et 5B sont respectivement des vues schématiques d’un élément en saillie, vu de haut dans une cavité, et vu en coupe selon la ligne B-B de la figure 5A ; Les figures 5C et 5D sont respectivement des vues schématiques de l’élément en saillie, vu en coupe selon la ligne C-C de la figure 5A, vu en coupe selon la ligne D-D de la figure 5A ; La figure 6A est une vue schématique en coupe d’une cavité d’un circuit de refroidissement d’une aube selon l’invention, le plan de coupe passant par des jambes des éléments en saillie situés dans cette cavité, et la figure 6B étant une vue à plus grande échelle d’un détail de la figure 6A ; La figure 7A est une vue schématique en coupe d’une cavité d’un circuit de refroidissement d’une aube selon l’invention, le plan de coupe passant par des toits des éléments en saillie situés dans cette cavité, et la figure 7B étant une vue à plus grande échelle d’un détail de la figure 7A ; La est une vue schématique d’un noyau céramique pour le moulage de la cavité d’une aube selon l’invention ; et La est une vue schématique en coupe selon la ligne IX-IX de la . Aube (20) pour une turbomachine d’aéronef, cette aube comprenant une pale (21) et un circuit de refroidissement (28) à l’intérieur de la pale, ce circuit de refroidissement (28) comportant au moins une cavité longitudinale (58) d’écoulement d’un flux d’air de refroidissement (RF), le circuit de refroidissement comportant en outre des éléments qui sont en saillie dans ladite cavité et qui sont configurés pour perturber ledit flux d’air, caractérisée en ce que chacun desdits éléments en saillie a une forme générale d’arche (50) et comporte deux jambes latérales (52) et un toit médian (54), les jambes (52) s’étendant entre une première paroi (56) de la cavité (58) et ledit toit (54), ce toit (54) reliant entre elles lesdites jambes (52), et en ce que chacun desdits éléments définit intérieurement, avec ladite première paroi (56), une première section de passage (S1-S1’), et extérieurement, avec une seconde paroi (60) opposée à la première paroi (56), une seconde section de passage (S2-S2’), et chacun desdits éléments étant configuré pour que ladite première ou seconde section de passage soit réduite d’amont en aval par rapport à la direction dudit flux d’air. Aube (20) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le toit (54) comporte une première face (54a) qui est en regard de la première paroi (56), et une seconde face (54b) qui est en regard de la seconde paroi (60), au moins l’une des première et seconde faces (54a, 54b) étant inclinée par rapport à la paroi (56, 60) en regard, d’amont en aval par rapport à la direction dudit flux d’air (RF), de façon à réduire la section de passage (S1-S1’, S2-S2’) correspondante. Aube (20) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que lesdites première et seconde faces (54a, 54b) sont sensiblement parallèles entre elles. Aube (20) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit toit (54) de chacun desdits éléments en saillie est incliné par rapport auxdites première et seconde parois (56, 60). Aube (20) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits éléments en saillie sont disposés les uns derrière les autres à l’intérieur de ladite cavité (58) et forment une rangée d’éléments en saillie s’étendant le long de ladite direction dudit flux d’air, la rangée comportant par exemple entre 5 et 10 éléments en saillie. Aube (20) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites jambes (52) de chacun desdits éléments en saillie sont séparées l’une de l’autre d’une distance (L1) représentant plus de 40% d’une largeur (L2) de ladite cavité (58). Aube (20) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites jambes (52) de chacun desdits éléments en saillie sont orientées de manière convergente d’amont en aval. Aube (20) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites jambes (52) et ledit toit (54) de chacun desdites éléments en saillie comportent des bords amont (62) qui sont arrondis convexes. Aube (20) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit toit (54) de chacun desdites éléments en saillie est situé sensiblement à une demi hauteur dans ladite cavité (58), cette hauteur étant mesurée entre lesdites première et seconde parois (56, 60). Aube (20) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chacun desdites éléments en saillie définit une section interne (S1-S1’) de passage d’air qui a une forme générale rectangulaire, circulaire, oblongue ou trapézoïdale. Procédé de fabrication à cire perdue d’une aube (20) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : fournir un noyau céramique ou métallique réfractaire (74) pour la formation de ladite cavité (58), ce noyau ayant une forme allongée et comportant des conduits internes (76) en U qui sont configurés pour former par moulage lesdits éléments en saillie, chacun de ces conduits (76) comportant chacun deux extrémités (76a) qui débouchent sur une même face (78) du noyau configuré pour former par moulage ladite première paroi (56), injection de cire de manière à enrober le noyau (74) et à former un modèle, fabrication d’une carapace enveloppant le modèle, versement d’un métal en fusion à l’intérieur de la carapace de manière à former l’aube, et décochage de la carapace et du noyau (74) de manière à libérer l’aube (20) et à former le circuit de refroidissement (28) avec sa cavité (58) et ses éléments en saillie.