Brevet FR3119641A1 — publié le 20220812

L’aube refroidie et renfermant une cavité (4) parcourue par un fluide de refroidissement circulant entre deux parois principales (2, 3) est pourvue de pontets (11) joignant les parois (2, 3) afin de promouvoir des turbulences dans l’écoulement. Ces pontets sont munis de reliefs (13) à leur surface extérieure, qui augmentent leur efficacité en accroissant les échanges de chaleur entre le fluide et la matière de l’aube de diverses manières. Figure pour l’abrégé : Figure 2C. AUBE CREUSE, MUNIE DE PONTETS D’ÉCHANGE DE CHALEUR TRAVERSANT UNE CAVITÉ DE REFROIDISSEMENT La présente invention se rapporte à une aube creuse munie de pontets d’échange de chaleur traversant une cavité de refroidissement. Les aubes exposées à des gaz à température élevée, comme les aubes mobiles des turbines en aval de la chambre de combustion dans les turbomachines, doivent être refroidies pour résister à de telles conditions thermodynamiques. On peut procéder au refroidissement par une circulation interne d’un fluide de refroidissement, en général par une ventilation d’un débit d’air frais sous pression soutiré des compresseurs de la turbomachine. Une telle structure d’aube est représentée à la , qui représente toutefois une réalisation connue. Une cavité 71 est creusée dans l’aube 70, que limitent notamment deux parois principales 72 et 73 opposées, et qui forment typiquement l’intrados et l’extrados de l’aube. La cavité 71 est parcourue par le fluide de refroidissement qui s’écoule le long des parois principales 72 et 73. La cavité 71 peut prendre des formes diverses d’un orifice d’entrée du fluide 74, relié par un circuit d’alimentation 75 à un point de soutirage du débit d’air des compresseurs, à des orifices de sortie 76 qui peuvent, selon les conceptions, déboucher soit au bord de fuite 77 de l’aube dans la veine d’écoulement des gaz (ce qui est représenté ici), soit à travers les faces principales 72 et 73 de l’aube. Elle peut par exemple être parcourue de cloisons transversales alternées 78 qui imposent au fluide un trajet en serpentin, être divisée en cavités parcourues successivement, ou être divisée en conduits parcourus parallèlement par le fluide, sans que ces variétés de conception puissent empêcher d’appliquer l’invention. La illustre schématiquement une turbomachine et une position possible du circuit de refroidissement 75, s’étendant depuis un des compresseurs 79 de la turbomachine, en amont d’une chambre de combustion des gaz 80, jusqu’à l’aube 70, qui peut être une aube des turbines et notamment de la turbine haute pression 81, en aval de la chambre de combustion des gaz 80 ; le circuit de refroidissement 75 peut passer d’abord dans un carter de stator 82, puis dans le rotor 83 en traversant la veine d’écoulement des gaz 84. Ces dispositifs de refroidissement sont connus depuis longtemps et employés avec satisfaction, mais des améliorations sont toujours recherchées afin d’améliorer l’efficacité du refroidissement, notamment par un accroissement de l’échange de chaleur avec le fluide de refroidissement, afin soit de refroidir plus fortement l’aube, soit de diminuer le débit de fluide de refroidissement nécessaire à un même refroidissement, puisque ce débit impacte le rendement de la turbomachine. L’échange de chaleur entre l’aube et le fluide peut être favorisé par plusieurs moyens, parmi lesquelles on citera les promoteurs de turbulence réalisés sur les parois de la cavité de refroidissement, qui créent des turbulences dans l’écoulement du fluide en le perturbant et favorisent ainsi l’échange thermique avec ces parois et la matière de l’aube. Les promoteurs de turbulence peuvent consister en divers types de reliefs et de rugosités, dont un exemple particulier, que l’invention perfectionne, est constitué par des pontets, qui sont des structures traversant la cavité en s’étendant d’une des parois principales à l’autre et essentiellement cylindriques. La section des pontets est traditionnellement circulaire et régulière (en exceptant par exemple leurs extrémités de raccordement aux parois principales, qui peuvent s’élargir vers ces dernières). Les irrégularités d’écoulement au passage des pontets produisent les turbulences recherchées. Le courant du fluide de refroidissement doit contourner les pontets en léchant leurs surfaces extérieures, qui s’ajoutent donc à la surface d’échange de chaleur procurée par les parois principales de la cavité et contribuent aussi à élever l’échange de chaleur. De plus, les pontets restreignent la section de passage du fluide et augmentent ainsi sa vitesse à travers la cavité, avec un effet supplémentaire d’augmentation de l’échange de chaleur. L’objectif recherché en concevant la présente invention est d’accroître encore l’échange de chaleur offert par des pontets en modifiant leur conception traditionnelle. Dans certaines réalisations particulières de celle-ci, une diminution des pertes de charge subies par le fluide à travers la cavité a été obtenue. Une définition générale de l’invention est une aube creuse refroidie, comprenant deux parois séparées par une ou plusieurs cavités de circulation d’un fluide de refroidissement, des pontets essentiellement cylindriques reliant les parois en s’étendant dans ladite cavité, une direction longitudinale des pontets joignant les parois et une direction angulaire des pontets étant dirigée autour de la direction longitudinale, caractérisée en ce que les pontets ont une surface extérieure munie de reliefs. Ces reliefs distinguent donc les pontets de l’invention des traditionnels, dont la surface extérieure est lisse et régulière. Les reliefs peuvent prendre divers aspects, dont certains seront décrits plus loin. Leurs effets principaux sont qu’ils augmentent les turbulences dans l’écoulement grâce aux irrégularités de forme qu’ils procurent aux pontets, et qu’ils augmentent aussi la superficie d’échange de chaleur offerte au fluide. Ces effets améliorent tous deux l’échange de chaleur à l’endroit des pontets. Ils dépendent fortement du nombre, de l’importance et de la forme des reliefs, ce qui sera détaillé plus loin. D’après certaines réalisations particulières de l’invention : - les reliefs sont discontinus (ponctuels) dans la direction longitudinale comme en direction angulaire des pontets ; - les reliefs sont des reliefs rentrants en portions de sphère ; - les reliefs sont des reliefs rentrants en portions de cylindre ; - les portions de sphère ou de cylindre ont une profondeur maximale, sous la surface extérieure des pontets, égale au plus à 1 fois un rayon desdites portions de sphère ou de cylindre ; - les reliefs sont au nombre de trois à dix par circonférence des pontets ; - les reliefs ont des espacements de préférence identiques dans la direction longitudinale et des espacements de préférence identiques dans la direction angulaire des pontets ; - les reliefs sont en hélice, c’est-à-dire avec une extension à la fois angulaire et longitudinale ; - l’hélice est continue ou discontinue et fait une pluralité de spires le long du pontet ; - les reliefs sont des collerettes plates perpendiculaires à la direction longitudinale des pontets ; - les reliefs sont des nervures s’étendant dans la direction longitudinale des pontets ; - les nervures sont au nombre de trois à dix par pontet. Les reliefs peuvent donc prendre une multiplicité de formes et de dispositions. Ils peuvent, d’une façon générale, être saillants ou rentrants, c’est-à-dire convexes se dressant sur la surface extérieure régulière des pontets, ou en empreintes concaves creusant cette surface. Les différents aspects, caractéristiques et avantages de l’invention seront mieux compris au moyen du commentaire détaillé des figures suivantes, qui en révèlent certaines réalisations données à titre purement illustratif : -les , , illustrent une réalisation connue de pontets ; -les , , illustrent une première réalisation de l’invention ; -les et , un effet de l’invention sur l’écoulement ; -les , , , une deuxième réalisation de l’invention ; -les , , le dimensionnement des aspérités des figures 2 et 3 ; -les , , , une troisième réalisation de l’invention ; -les , , , une quatrième réalisation ; -les , , , une cinquième réalisation ; - la , une conception générale d’aube refroidie munie de pontets ; -et la , un schéma d’une turbomachine. Les figures 1A, 2A, 4A, 6A, 7A et 8A sont plus précisément des vues extérieures des pontets dans le sens d’écoulement du courant de refroidissement ; les figures 1B, 2B, 4B, 6B, 7B et 8B, des coupes transversales prises à travers le dispositif et révélant les sections des pontets ; et les figures 1C, 2C, 4C, 6C, 7C et 8C, des vues en perspective du dispositif. Les figures 1A, 1B et 1C illustrent donc des pontets traditionnels 1 joignant deux parois 2 et 3 d’une aube de turbomachine, en s’étendant à travers une cavité 4 de refroidissement s’étendant entre les parois 2 et 3. Les parois 2 et 3, ainsi que la cavité 4, correspondent aux parois 72 et 73 et à la cavité 74 décrites à la . La cavité 4 est parcourue par un courant A de fluide de refroidissement qui doit contourner les pontets 1. Les pontets 1 ont une section cylindrique généralement régulière, sauf ici aux extrémités, qui se joignent aux parois 2 et 3 en des congés de raccordement5 et 6. Ils ont une surface extérieure 7 lisse. Ils sont ici disposés en un réseau régulier, avec des écartements uniformes aussi bien dans la direction de l’écoulement A que dans la direction perpendiculaire de largeur de l’écoulement (horizontale à la ), et ces écartements sont semblables dans ces deux directions. De plus, les pontets 1 sont alignés en rangées dans la direction de l’écoulement A et dans la direction perpendiculaire. Il s’agit toutefois seulement de possibilités de conception parmi d’autres, et les pontets 1 pourraient ainsi être disposés en réseaux irréguliers, ou être disposés en quinconce ou avec un autre décalage entre leurs rangées successives. Ils pourraient aussi avoir des diamètres différents, par exemple. L’invention serait transposable à de telles autres constructions. Une première réalisation de l’invention est décrite au moyen des figures 2A, 2B et 2C. Les pontets 1 sont remplacés par des pontets 11 qui diffèrent d’eux en ce que leur surface extérieure 12 est pourvue d’aspérités 13, c’est-à-dire de reliefs isolés qui sont ici des empreintes concaves ou rentrantes en portion de sphère. Les aspérités 13 forment un réseau qui est de préférence (mais pas nécessairement) régulier sur chacun des pontets 11, en se succédant le long de bandes s’étendant dans la direction longitudinale L-L des pontets 11 à des écartements uniformes, et le long de cercles dans la direction angulaire φ autour de la direction longitudinale L-L, encore à des écartements uniformes. D’autres formes de réseaux des aspérités 13 seraient possibles. Le nombre des aspérités 13 le long des bandes et des cercles dépend des dimensions des pontets 11, mais il peut être avantageux qu’il soit de trois à dix (sept dans la réalisation représentée, visibles à la ) autour des circonférences des pontets 11. Les aspérités 13 illustrent des reliefs discontinus au sens de l’invention, c’est-à-dire que leur extension est limitée sur les pontets 11, ici aussi bien dans la direction longitudinale L-L que dans la direction angulaire φ ; la surface extérieure 12 des pontets 11 reste lisse et régulière hors des aspérités 13 ou des reliefs d’autres réalisations de l’invention. L’effet des aspérités 13 peut être compris en comparant les figures 3A et 3B. La première illustre un pontet 1 traditionnel à la surface extérieure 7 lisse. L’écoulement du fluide dans la direction A le contourne en formant une couche limite 8 adjacente à lui. La couche limite 8 ne s’étend pas plus que sur la moitié de la circonférence de la surface extérieure 7, car elle se décolle du côté aval du pontet 1, et il se forme ce qui s’appelle une allée de von Karman 9, zone où l’écoulement, quasiment interrompu, est à l’origine d’une augmentation importante des pertes de charge et dont la largeur est proche du diamètre du pontet 1. Les pontets 11 caractéristiques de cette première réalisation de l’invention permettent, comme l’illustre la , l’établissement d’une couche limite 18 de plus grande étendue angulaire et qui déborde donc sur la face aval du pontet 11, grâce aux aspérités 13 qui augmentent la turbulence de l’écoulement à son passage, ce qui renforce la couche limite 18. L’allée de von Karman a une largeur réduite en conséquence. Les effets sont les suivants : la surface d’échange thermique avec les pontets 11, corrélée en plus à l’étendue angulaire de la couche limite 18, est plus grande ; la formation de turbulences 19 est plus importante autour du pontet 11 et a comme effet d’augmenter les échanges thermiques ; et la réduction de l’allée de von Karman réduit les pertes de charge de l’écoulement. Les figures 4A, 4B et 4C illustrent une autre réalisation de l’invention. Les pontets, maintenant 21, portent des aspérités 23 dont la forme est différente de celle des aspérités 13 de la réalisation précédente, car elles sont des empreintes de cylindre au lieu d’être des empreintes de sphère, avec des axes de cylindre dirigés dans la direction angulaire φ. Les règles de répartition, dimensionnement, positionnement ou écartement des aspérités 13 et 23 peuvent être les mêmes ou à peu près, et l’effet des aspérités 23 sur l’écoulement est comparable de celui des aspérités 13. Les aspérités pourraient encore avoir d’autres formes ou d’autres sections. Les figures 5A et 5B illustrent les pontets 11 ou 21 en coupe partielle. Les aspérités 13 et 23 en empreintes sphériques ou cylindriques peuvent avoir des enfoncements égaux à un rayon des sphères ou des cylindres ( ), ou (ce qui peut être plus avantageux) être moins profondes ( ). Dans d’autres réalisations de l’invention abordées maintenant, les reliefs ne sont plus des aspérités localisées mais des ailettes allongées ou continues, qui modifient plus profondément la forme initiale des pontets et augmentent plus leur surface extérieure totale. La réalisation des figures 6A, 6B et 6C montre des pontets 31 dont la surface extérieure est pourvue d’une ailette 32 unique en forme de serpentin, ou hélicoïdale faisant plusieurs tours sur la longueur des pontets 31. La section de l’ailette peut être variable comme on l’a représenté ici, avec des spires 33, 34, 35 et 36 successives ayant des hauteurs différentes au-dessus de la surface extérieure du pontet 31 ou des formes de section différentes, rectangulaires (pour les spires extrêmes 33 et 36) ou triangulaires (pour les spires intermédiaires 34 et 35). D’autres sections d’ailette, semi-circulaires par exemple, pourraient être considérées. Les pas entre paires de spires pourraient aussi être différents. Une grande liberté de conception existe pour tous ces paramètres. Ici quatre spires sont représentées, mais leur nombre peut encore être différent, d’après par exemple la longueur des pontets 31. L’ailette 32 est ici continue, mais elle pourrait être discontinue ; plusieurs ailettes pourraient aussi coexister autour des pontets 31. Cette forme hélicoïdale d’ailettes est susceptible de produire des turbulences plus importantes dans l’écoulement en le rendant irrégulier et en lui imprimant une composante transversale de déplacement vers l’une ou l’autre des parois principales de la cavité, accroissant ainsi d’autant l’échange de chaleur. Dans la conception des figures 7A, 7B et 7C, les pontets 41 sont munis d’ailettes circulaires en forme de collerettes 42 parallèles. Cette disposition particulière peut permettre d’augmenter fortement la surface d’échange de chaleur si les collerettes 42 ont un rayon important, sans perturber beaucoup l’écoulement ni accroître beaucoup les pertes de charges. L’augmentation des turbulences est toutefois plus modérée dans cette réalisation particulière, de sorte que les performances d’échange de chaleur des pontets 41 peuvent être moins bonnes qu’avec des aspérités ou des reliefs à extension hélicoïdale ou longitudinale, qui sont donc préférés. La réalisation représentée comporte quatre collerettes 42 par pontet 41, mais ici encore le nombre de reliefs n’est pas déterminé mais dépend beaucoup d’autres considérations, en particulier la longueur des pontets 41. Les dimensions et sections des collerettes 42 peuvent aussi être choisies avec une grande liberté. La conception des figures 8A, 8B et 8C est alors abordée, dans laquelle les pontets 51 sont munis d’ailettes longitudinales 52 réparties autour de leur circonférence ; elles sont ici au nombre de cinq, mais des nombres de trois à dix, par exemple, peuvent aussi être envisagés. Les ailettes longitudinales 52 perturbent fortement l’écoulement. L’accroissement d’échange de chaleur est alors redevable plus aux augmentations de la turbulence de l’écoulement, qu’aux augmentations des surfaces extérieures des pontets 51 procurées par les ailettes longitudinales 52, contrairement à l’agencement des figures 7A, 7B et 7C, où les collerettes 42 perturbent peu l’écoulement. Mais il est à noter que les ailettes longitudinales 52 peuvent augmenter significativement les pertes de charge si leurs hauteurs sont excessives. Les ailettes des réalisations des figures 6, 7 et 8 sont saillantes, mais des reliefs rentrants allongés ou continus pourraient aussi être envisagés, de même que d’autres formes ou d’autres dispositions d’ailettes. On a représenté des reliefs identiques et régulièrement répartis dans toutes ces réalisations, mais des formes ou des répartitions irrégulières sont possibles. Aube creuse refroidie, comprenant deux parois (2, 3) séparées par une cavité (4) de circulation d’un fluide de refroidissement, des pontets (11, 21, 31, 41, 51, 61) essentiellement cylindriques reliant les parois en s’étendant dans ladite cavité, une direction longitudinale (L–L) des pontets joignant les parois et une direction angulaire (φ) des pontets s’étendant autour de la direction longitudinale, caractérisée en ce que les pontets ont une surface extérieure munie de reliefs (13, 23, 32, 42, 52). Aube creuse refroidie selon la revendication 1, caractérisée en ce que les reliefs (13, 23) sont ponctuels dans la direction longitudinale et/ou dans la direction angulaire des pontets. Aube creuse refroidie selon la revendication 2, caractérisée en ce que les reliefs (13) sont des reliefs rentrants en portions de sphère ou des reliefs rentrants en portions de cylindre. Aube creuse refroidie selon la revendication 3, caractérisé en ce que les portions de sphère ou de cylindre ont une profondeur maximale, en creux sous la surface extérieure des pontets, égale au plus à 1 fois un rayon desdites portions de sphère ou de cylindre. Aube creuse refroidie selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les reliefs sont au nombre de trois à dix autour de la circonférence des pontets. Aube creuse refroidie selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que les reliefs ont des espacements identiques dans la direction longitudinale et des espacements identiques dans la direction angulaire des pontets. Aube creuse refroidie selon la revendication 1, caractérisée en ce que les reliefs (32) sont en hélice. Aube creuse refroidie selon la revendication 7, caractérisée en ce que l’hélice présente une pluralité de spires (33 à 36) le long du pontet (31). Aube creuse refroidie selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les reliefs sont des nervures (52) s’étendant dans la direction longitudinale des pontets (51). Aube creuse refroidie selon la revendication 9, caractérisée en ce que les nervures (52) sont au nombre de trois à dix par pontet.