Brevet FR3130881A1 — publié le 20230623

L’invention concerne une aube de turbine, comprenant un pied prolongé par une pale se terminée par un sommet, la pale comprenant une paroi d'intrados et une paroi d'extrados, ainsi qu’un bord d'attaque (16), un bord de fuite (17) et une paroi de fermeture (22) les reliant, la paroi de fermeture (22) comportant une face radialement externe (31) et une face radialement interne (32) et étant traversée par un trou de dépoussiérage (28). Le trou de dépoussiérage (28) comporte une portion d’évacuation (E) rectiligne de section constante débouchant dans la face externe (31) en étant raccordée à cette face externe (31) par une arête, cette portion d’évacuation (E) étant prolongée par une portion d’admission (A) dont au moins une partie est raccordée à la face interne (32) par une surface de liaison (33) formant un raccordement courbe avec la face interne (32). Figure pour l’abrégé : Figure 6 Aube comportant un trou de dépoussiérage comportant une portion d’admission étendue L’invention concerne une aube de turbomachine, telle qu’une turbine à gaz industrielle, une turbine aéronautique de moteur d’avion ou d’hélicoptère, ou encore une unité de puissance auxiliaire (APU). L’invention s’applique notamment aux aubes de type haute pression. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans un moteur de type turboréacteur, repéré par 1 dans la , l'air est admis dans une manche d'entrée 2 pour traverser une soufflante comportant une série de pales rotatives 3 avant de se scinder en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire. Le flux primaire est compressé par des compresseurs basse pression 4 et haute pression 5 avant d'atteindre une chambre de combustion 6, après quoi il se détend en traversant une turbine haute pression 7 et une turbine basse pression 8, avant d'être évacué en générant une poussée auxiliaire. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement par la soufflante pour générer une poussée principale. Chaque turbine 7, 8 comporte des séries d'aubes orientées radialement et régulièrement espacées autour d'un axe de rotation AX, un carter externe 9 entourant l'ensemble du moteur. Chaque aube comporte un pied par lequel elle est fixée à un disque rotatif du turboréacteur, qui est prolongé par une pale s’étendant selon une direction radiale dite direction d’envergure. Cette pale est la partie aérodynamique de cette aube, et elle est terminée par un sommet. Compte tenu de la température élevée qui règne dans un tel moteur en service, les aubes sont refroidies en cours de fonctionnement. Le refroidissement d’une aube est assuré en admettant de l’air frais au niveau du pied de cette aube, pour qu’il circule dans des canaux internes de l’aube afin de la refroidir par convection. Cet air est évacué par des perçages traversant les parois d’intrados et d’extrados de la pale, afin d’établir lors de son évacuation un film longeant les faces externes de ces parois pour assurer aussi une isolation thermique de ces faces externes. Une partie de l’air admis en pied d’aube est évacuée par un ou des trous dits de dépoussiérage situés au niveau du sommet de l’aube et orientés selon la direction d’envergure. Ces trous de dépoussiérage ont un plus grand diamètre que ceux traversant les parois d’intrados et d’extrados, attendu qu’ils sont prévus pour être traversés par un débit plus important de manière à évacuer les particules ou poussières pouvant être présentes dans l’air admis en pied d’aube. En l’absence de trous de dépoussiérage, les trous formés dans les parois d’intrados et d’extrados sont susceptibles de se colmater, ce qui peut être pénalisant pour le refroidissement de l’aube. Le but de l’invention est d’apporter une solution pour améliorer le dépoussiérage de telles aubes. A cet effet, l’invention a pour objet une aube destinée à être montée sur un disque de rotor monté rotatif autour d’un axe, comprenant un pied prolongé par une pale s’étendant selon une direction radiale d'envergure et terminée par un sommet, la pale comprenant une paroi d'intrados et une paroi d'extrados, ainsi qu’un bord d'attaque, un bord de fuite et une paroi de fermeture d’une baignoire, les paroi d’intrados et d’extrados étant reliées par le bord d’attaque, par le bord de fuite et par la paroi de fermeture, la baignoire étant située au sommet de la pale pour la fermer, la paroi de fermeture de la baignoire comprenant une face radialement externe et une face radialement interne et étant traversée par un trou de dépoussiérage, la pale comprenant un conduit dans lequel circule de l’air de refroidissement admis au niveau du pied : caractérisée en ce que le trou de dépoussiérage comporte une portion d’évacuation rectiligne de section constante débouchant dans la face radialement externe en étant reliée à cette face radialement externe par une arête, cette portion d’évacuation étant prolongée par une portion d’admission dont au moins une partie est reliée à la face radialement interne par une surface de liaison formant avec cette face radialement interne un raccordement qui est courbe lorsque vu dans un plan de coupe contenant l’axe. L’invention permet d’augmenter artificiellement la section d’admission du trou de dépoussiérage sans augmenter significativement le débit dans ce trou qui reste conditionné par la section de la portion d’évacuation, pour accroître l’efficacité du dépoussiérage sans pénaliser le rendement du moteur. L’invention concerne également une aube ainsi définie, dans laquelle la surface de liaison présente une section en arc de cercle ou en arc d’ellipse. L’invention concerne également une aube ainsi définie, dans laquelle la surface de liaison s’étend sur tout le pourtour de la portion d’admission. L’invention concerne également une aube ainsi définie, dans laquelle le trou de dépoussiérage est d’une part équidistant de parois délimitant le conduit selon la direction de l’axe de rotation, et d’autre part équidistant des parois d’intrados et d’extrados. L’invention concerne également une aube ainsi définie, comprenant un circuit interne de type trombone incluant un conduit montant raccordé à un conduit descendant au niveau du sommet, l’air de refroidissement circulant depuis le pied vers le sommet dans le conduit montant et depuis le sommet vers le pied dans le conduit descendant, et dans lequel la portion d’admission du trou de dépoussiérage est raccordée à la face radialement interne du côté du conduit montant et/ou du côté du conduit descendant par une surface de liaison formant un raccordement avec la face radialement interne qui est courbe lorsque vu dans un plan de coupe contenant l’axe. L’invention concerne également une aube ainsi définie, comprenant un circuit interne de type trombone incluant un conduit montant raccordé à un conduit descendant au niveau du sommet, l’air de refroidissement circulant depuis le pied vers le sommet dans le conduit montant et depuis le sommet vers le pied dans le conduit descendant, et dans lequel la portion d’admission du trou de dépoussiérage est raccordée à la face radialement interne du côté du conduit descendant par une surface de liaison formant avec la face radialement interne un raccordement délimitant un angle aigu pour constituer une écope orientée vers le conduit montant. L’invention concerne également une aube ainsi définie, dans laquelle la portion d’évacuation du trou de dépoussiérage présente une hauteur comprise entre dix et quatre-vingt-dix pourcents de l’épaisseur de la paroi de fermeture. L’invention concerne également une aube ainsi définie, dans laquelle le trou de dépoussiérage présente une section elliptique ou rectangulaire. L’invention concerne également une turbine de turbomachine comportant une aube ainsi définie. L’invention concerne également une turbomachine comprenant une turbine ainsi définie. La est une vue en coupe longitudinale d’un moteur d’aéronef ; La est une vue en perspective d’une aube de turbine haute pression ; La est une vue partielle en perspective d’un sommet d’aube de turbine haute pression ; La est une vue en coupe longitudinale représentant schématiquement une aube pourvue d’un trou de dépoussiérage selon l’invention ; La est une vue en coupe longitudinale représentant schématiquement une aube pourvue d’un trou de dépoussiérage selon l’Etat de la technique ; La est une vue en coupe montrant de façon agrandie le trou de dépoussiérage selon l’invention ; La est une vue en coupe longitudinale représentant schématiquement une aube pourvue d’un trou de dépoussiérage selon une première variante de l’invention ; La est une vue en coupe longitudinale représentant schématiquement une aube pourvue d’un trou de dépoussiérage selon une deuxième variante de l’invention ; La est une vue en coupe montrant de façon agrandie une variante de trou de dépoussiérage selon l’invention ; La est une vue en coupe longitudinale représentant schématiquement une aube pourvue d’un trou de dépoussiérage selon une troisième variante de l’invention ; La est une vue en coupe longitudinale représentant schématiquement une aube pourvue d’un trou de dépoussiérage selon une quatrième variante de l’invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Sur la , une aube de turbine haute pression repérée par 11 comprend un pied P par lequel elle est fixée à un disque de rotor, prolongé par une pale 12, avec une plateforme 13 raccordant le pied P à la pale 12. Elle comporte des conduits internes dans lesquels circule de l'air de refroidissement admis au niveau d’une face radialement inférieure 14 du pied P. La pale 12 s’étend selon un axe dit d’envergure EV sensiblement radial par rapport à un axe AX de rotation du rotor, qui est un axe longitudinal du moteur. Elle comprend un bord d'attaque 16 sensiblement parallèle à la direction d’envergure EV et situé à l'amont AM, par rapport au sens de circulation des gaz dans la turbomachine et un bord de fuite 17 sensiblement parallèle au bord d'attaque 16 et espacé de celui-ci le long de l'axe AX pour être à l’aval AV de l'aube. La pale 12 est terminée par un sommet S sensiblement parallèle à la plateforme 13 et espacé de celle-ci selon la direction EV. La pale 12 est délimitée par une paroi d'intrados 18 et par une paroi d'extrados 19 distinctes, réunies au niveau du bord d'attaque 16, au niveau du bord de fuite 17, et dans la région du sommet S. La paroi d’intrados est traversée par des trous de refroidissement 21 alimentés par un conduit interne de l’aube pour former un film à la face externe de l’intrados 18 afin de l’isoler thermiquement. Le bord d'attaque 16 qui est bombé comporte aussi des trous de refroidissement 21. Comme visible sur la , le sommet S comporte une paroi de fermeture ou baignoire 22 perpendiculaire à la direction d’envergure EV, qui raccorde les parois d'intrados et d'extrados. Cette paroi de fermeture 22 est ici en retrait vers l'axe AX par rapport aux bords libres des parois d'intrados et d'extrados, pour délimiter une portion creuse, dite en baignoire et repérée par la référence B. Cette aube est une pièce monobloc issue de fonderie d'un matériau métallique. Elle est obtenue avec un ensemble de noyaux délimitant ses conduits internes, ces noyaux étant retirés après coulée et refroidissement par exemple par attaque chimique. Cette aube comporte, comme représenté sur la , un circuit interne 23 qui est de type en trombone dans l’exemple des figures. Il comporte un conduit montant 24 et un conduit descendant 26 raccordés l’un à l’autre dans la région du sommet S. Ces conduits sont séparés l’un de l’autre par une paroi interne 27 s’étendant dans la région du corps de la pale 12. Cette paroi interne 27 est ici située sensiblement à mi-longueur de l’aube 11 c’est-à-dire à mi-distance entre son bord d’attaque 16 et son bord de fuite 17 le long de l’axe AX. Comme visible sur la , l’air de refroidissement circule dans le conduit 24 depuis le pied P vers le sommet S, et il circule dans le conduit 26 depuis le sommet S vers le pied P. La paroi de fermeture 22 qui délimite le raccordement des conduits 24 et 26, est traversée par un trou de dépoussiérage 28 s’étendant selon un axe AT parallèle à la direction d’envergure EV et qui est situé au droit de la paroi interne 27. Une partie de l’air provenant du conduit 26 est évacuée par le trou de dépoussiérage 28, et le reste de cet air suit le raccordement pour circuler vers le pied P dans le conduit 26. L’invention est basée sur le constat selon lequel dans l’état de la technique, l’efficacité des trous de dépoussiérage reste limitée par le comportement des particules dans l’écoulement. En se reportant à la représentant une aube de l’Etat de la technique dont la morphologie est du même type que celle l’aube de la , le trou de dépoussiérage repéré par T, qui traverse la paroi de fermeture repérée par F, est un trou droit c’est-à-dire rectiligne et de section constante. Comme visible sur la , les particules de grandes dimensions (nombre de Stokes supérieur à 1), ont une trajectoire représentée en traits discontinus qui est indépendante de l’écoulement de l’air dans le canal. Par conséquent, elles ne sont pas aspirées par le trou T dès lors que leur trajectoire, ici radiale, est située en aval de ce trou T. Dans ces conditions, les particules de grandes dimensions s’accumulent contre la face interne de la paroi F, en aval du trou T, et contribuent à obturer ce canal. Comme visible sur la , le trou de dépoussiérage 28 selon l’invention s’étend selon une direction AT parallèle à la direction d’envergure, mais il comporte une portion débouchant dans l’aube qui est évasée au moins vers le conduit montant 24. Ce trou de dépoussiérage 28 constitue ainsi un collecteur récupérant l’air du conduit montant 24 sur une plus grande étendue vers l’aval AV, pour évacuer un plus grand nombre de particules de grandes dimensions. Dans ces conditions, et comme illustré sur la , les particules de grandes dimensions ne s’accumulent pas sur la paroi de fermeture 22 au droit du conduit 24 pour contribuer à l’obturer : elles sont évacuées hors de l’aube. Le trou de dépoussiérage 28 selon l’invention qui apparaît plus clairement sur la , est délimité par une surface interne 29. Il s’étend selon un axe AT parallèle à la direction EV, depuis la face radialement externe 31 de la paroi de fermeture 22 jusqu’à la face radialement interne 32 de cette paroi, de sorte qu’il présente une hauteur H correspondant à l’épaisseur de cette paroi. Ce trou 28 comporte une portion d’évacuation E débouchant dans la face externe 31 qui est une portion droite, c’est-à-dire de section constante qui est ici une section circulaire dont le diamètre est noté D, centrée sur l’axe AT, et s’étendant sur une hauteur notée h. Cette portion d’évacuation E est prolongée par une portion d’admission A débouchant dans la face radialement interne 32. La jonction de la portion d’évacuation E avec la face externe 31 est ainsi, comme visible sur la , une arête à angle droit dont la forme correspond à celle du contour de la section de la portion d’évacuation E. Comme visible sur la , la portion d’admission a une forme évasée du côté du conduit montant 24, c’est-à-dire vers l’aval AV : elle est raccordée à la face interne 32 par un congé, c’est-à-dire une surface de liaison incurvée 33 agencée pour constituer un raccordement courbe 34 avec la face interne 32. Comme visible sur la , ce raccordement 34 avec la face interne 32 est courbe lorsque vu dans un plan de coupe contenant l’axe AX, c’est-à-dire qu’il ne comporte aucune arête ou angulosité. Dans l’exemple des figures, ce congé correspond à une surface de liaison ayant lorsque vue en coupe dans un plan contenant l’axe AT un profil en arc de cercle selon un rayon noté R, grâce auquel la jonction de la partie aval de la portion d’admission A avec la face interne 32 est incurvée au lieu de constituer une arête vive. L’évasement constitué par la portion d’admission A permet d’augmenter artificiellement la section du trou pour maximiser la quantité de particules de grandes dimensions qui sont capturées. Grâce au congé constituant une transition adoucie depuis la face interne 32 vers la surface 29 du trou, la portion d’admission A délimite une forme convergente resserrant les lignes de courant de l’écoulement pour maximiser le nombre de particules collectées. Cet effet de convergence permet d’attirer davantage de particules pour améliorer encore l’efficacité du dépoussiérage. L’évasement formé par l’extension de la portion d’admission A vers le conduit montant 24 constitue une surface incurvée et non pas anguleuse, pour éviter d’engendrer des perturbations dans l’écoulement, et par là-même faciliter la collecte de particules de grandes dimensions (nombre de Stokes supérieur à 1). La partie amont de la portion d’admission A est quant à elle raccordée à la face interne 32 par une arête à angle droit, de la même façon qu’est raccordée la portion d’évacuation E avec la face externe 31. Ainsi, le rayon de raccordement de la portion d’admission A avec la face interne 32 présente une valeur qui est la plus élevée du côté aval et qui diminue graduellement pour devenir sensiblement nulle du côté amont. La hauteur h de la portion d’évacuation E est comprise entre 10% et 90% de la hauteur H du trou. Cette portion d’évacuation E constitue une portion calibrante puisque c’est sa section qui conditionne le débit d’air à travers le trou 28 de dépoussiérage. Dans l’exemple des figures 4 et 6, la surface de liaison incurvée 33 par laquelle la portion d’admission A du trou 28 est reliée à la face interne 32 s’étend essentiellement sur la partie aval de cette portion d’admission. Mais elle peut aussi s’étendre, comme dans l’exemple de la sur tout le pourtour de la portion d’admission A, de manière à accroître plus fortement l’étendue de la portion d’admission A, afin d’améliorer encore la collecte des particules. Dans l’exemple de la , le trou 28 est situé en vis-à-vis de la paroi interne séparant les conduits 24 et 26, mais pour améliorer la collecte des particules de grandes dimensions, ce trou 28 est avantageusement décalé vers l’aval, comme illustré sur la , de manière à ce que son axe AT coïncide avec l’axe central du conduit montant 24. Autrement dit, le trou 28 est avantageusement positionné pour que son axe AT soit équidistant des parois délimitant latéralement et longitudinalement le conduit montant 24. Ainsi, et comme visible sur la , la portion d’admission A du trou s’étend sensiblement jusqu’au bord de fuite, ce qui permet d’assurer la collecte de sensiblement toutes les particules de grandes dimensions. De la même manière, dans le cas d’un canal simple, c’est-à-dire comprenant uniquement un conduit montant, le trou de dépoussiérage selon l’invention est positionné pour que son axe AT soit équidistant des parois délimitant latéralement ce conduit montant. D’une manière plus générale, le trou de dépoussiérage 28 est positionné dans la paroi 22 pour être, le long de l’axe AX, à une distance du bord de fuite 17 valant au minimum H-h+D/2, et pour être à une distance du bord d’attaque 16 valant au minimum 0,1xL+D/2, L désignant la distance séparant le bord d’attaque du bord de fuite le long de l’axe AX. Ce trou 28 est positionné transversalement à l’axe AX pour être à mi-distance des parois d’intrados et d’extrados. Dans l’exemple décrit en références aux figures 3 à 8, le trou de dépoussiérage présente une section circulaire, mais cette section peut aussi être une section elliptique, orientée le long de l’axe AX, ou encore une section carrée ou bien rectangulaire orientée selon l’axe AX. En pratique, la forme de la section du trou 28 est conditionnée par les moyens de fabrication de l’aube. La surface de liaison 33 est essentiellement une surface incurvée agencée pour constituer un raccordement courbe et non pas anguleux avec la face interne 32. Il peut s’agit d’un rayon de raccordement constant formant un arc de cercle, comme sur la , ou d’un raccordement en arc d’ellipse, ou de toute forme incurvée permettant de constituer une transition sans arête depuis la face interne 32 jusqu’à la surface interne 29 du trou. Dans l’exemple des figures 3 à 8, la surface de liaison 33 incurvée s’étend du côté du conduit montant 24 pour augmenter l’embouchure du trou de dépoussiérage 28 vers ce conduit montant 24. Complémentairement, et comme représenté sur les figures 9 à 11, une autre surface de liaison 36 de la portion d’admission A avec la face interne 32 est prévue du côté du conduit descendant 26 pour délimiter avec la face interne 32 un raccordement anguleux 37, c’est-à-dire une arête. Comme visible sur la , l’angle de ce raccordement anguleux 37, c’est-à-dire l’angle entre la surface 36 et la face 32 vues en coupe selon un plan contenant l’axe AX, est un angle aigu, c’est-à-dire de valeur inférieure à 90°. L’écope 38 ainsi constituée permet d’attirer dans le trou de dépoussiérage 28 les particules longeant la face interne 32 lors de leur circulation depuis le conduit montant 24 vers le conduit descendant 26. Dans l’exemple des figures 9 et 10, la surface de liaison 36 a elle-même une forme anguleuse, et elle a une forme au contraire incurvée dans l’exemple de la pour limiter la formation de turbulences perturbant l’écoulement dans le trou 28. En pratique, le choix d’une forme anguleuse ou incurvée de cette autre surface de liaison 36 est conditionné notamment par le procédé de fabrication de l’aube. L’invention a été présentée dans le cadre d’une turbine aéronautique de moteur d’aéronef, mais elle s’applique également aux aubes d’autres types comme par exemple celles équipant les turbines à gaz industrielles. D’une manière générale, après impact avec une paroi, les particules perdent de l’énergie cinétique. Si la zone d’impact est un endroit de recirculation fluide par exemple un retournement avec angles vifs comme sur la les particules ayant un nombre de Stokes supérieur à 1 ont peu de chances d’échapper cet endroit et d’être évacuées par le trou de dépoussiérage. Grâce à l’invention, l’utilisation de rayons de courbures à l’entrée du trou comme représenté sur les figures 5 à 8, les particules impactent une paroi incurvée où l’effet convergent attire davantage l’écoulement qui redynamise les particules et les oriente vers le trou de dépoussiérage. Aube (11) de turbine, destinée à être montée sur un disque de rotor monté rotatif autour d’un axe (AX), comprenant un pied (P) prolongé par une pale (12) s’étendant selon une direction radiale d'envergure (EV) et terminée par un sommet (S), la pale (12) comprenant une paroi d'intrados (18) et une paroi d'extrados (19), ainsi qu’un bord d'attaque (16), un bord de fuite (17) et une paroi de fermeture (22) d’une baignoire, les paroi d’intrados (18) et d’extrados (19) étant reliées par le bord d’attaque (16), par le bord de fuite (17) et par la paroi de fermeture (22), la baignoire (22) étant située au sommet (S) de la pale (12) pour la fermer, la paroi de fermeture (22) de la baignoire comprenant une face radialement externe (31) et une face radialement interne (32) et étant traversée par un trou de dépoussiérage (28), la pale (12) comprenant un conduit (24) dans lequel circule de l’air de refroidissement admis au niveau du pied (P) : caractérisée en ce que le trou de dépoussiérage (28) comporte une portion d’évacuation (E) rectiligne de section constante débouchant dans la face radialement externe (31) en étant reliée à cette face radialement externe (31) par une arête, cette portion d’évacuation (E) étant prolongée par une portion d’admission (A) dont au moins une partie est reliée à la face radialement interne (32) par une surface de liaison (33) formant avec cette face radialement interne (32) un raccordement (34) qui est courbe lorsque vu dans un plan de coupe contenant l’axe (AX). Aube selon la revendication 1, dans laquelle la surface de liaison (33) présente une section en arc de cercle ou en arc d’ellipse. Aube selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la surface de liaison (33) s’étend sur tout le pourtour de la portion d’admission (A). Aube selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle le trou de dépoussiérage (28) est d’une part équidistant de parois délimitant le conduit (24) selon la direction de l’axe de rotation (AX), et d’autre part équidistant des parois d’intrados (18) et d’extrados (19). Aube selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant un circuit interne (23) de type trombone incluant un conduit montant (24) raccordé à un conduit descendant (26) au niveau du sommet (S), l’air de refroidissement circulant depuis le pied (P) vers le sommet (S) dans le conduit montant (24) et depuis le sommet (S) vers le pied (P) dans le conduit descendant (26), et dans lequel la portion d’admission (A) du trou de dépoussiérage (28) est raccordée à la face radialement interne (32) du côté du conduit montant (24) et/ou du côté du conduit descendant par une surface de liaison (33) formant un raccordement (34) avec la face radialement interne (32) qui est courbe lorsque vu dans un plan de coupe contenant l’axe (AX). Aube selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant un circuit interne (23) de type trombone incluant un conduit montant (24) raccordé à un conduit descendant (26) au niveau du sommet (S), l’air de refroidissement circulant depuis le pied (P) vers le sommet (S) dans le conduit montant (24) et depuis le sommet (S) vers le pied (P) dans le conduit descendant (26), et dans lequel la portion d’admission (A) du trou de dépoussiérage (28) est raccordée à la face radialement interne (32) du côté du conduit descendant (26) par une surface de liaison (36) formant avec la face radialement interne (32) un raccordement (37) délimitant un angle aigu pour constituer une écope (38) orientée vers le conduit montant (24). Aube selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle la portion d’évacuation (E) du trou de dépoussiérage (28) présente une hauteur (h) comprise entre dix et quatre-vingt-dix pourcents de l’épaisseur de la paroi de fermeture (22). Aube selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle le trou de dépoussiérage (28) présente une section elliptique ou rectangulaire. Turbine de turbomachine comportant une aube selon l’une des revendications 1 à 8. Turbomachine comprenant une turbine selon la revendication 9.