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CA 02418241 2003-O1-22
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Titre de l'invention
Aube mobile de turbine haute pression munie d'un bord de fuite au
comportement thermique amélioré
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des
aubes mobiles de turbine haute pression d'une turbomachine, et plus
particulièrement aux fentes d'évacuation de l'air de refroidissement des
aubes mobiles d'une turbine haute pression.
De façon connue en soi, une turbomachine comporte une
chambre de combustion dans laquelle de l'air et du carburant sont
mélangés avant d'y être brûlés. Les gaz issus de cette combustion
s'écoulent vers l'aval dans la chambre de combustion et alimentent ensuite
une turbine haute pressïon. La turbine haute pression comporte une ou
plusieurs rangées d'aubes mobiles espacées de façon circonfërentielle tout
autour du rotor de la turbine. Les aubes mobiles de la turbine haute
pression sont ainsi soumises aux températures très élevées des gaz de
combustion. Ces températures atteignent des valeurs largement
supérieures à celles que peuvent supporter sans dommages les aubes qui
sont en contact avec ces gaz, ce qui a pour conséquence de limiter leur
durée de vie.
Afin de résoudre ce problème, il est connu de munir ces aubes
de circuits de refroidissement internes visant à réduire la température de
ces dernières. Grâce à de tels circuits, de l'air de refroidissement, qui est
généralement introduit dans l'aube par son pied, traverse celle-ci en
suivant un trajet formé par des cavités pratiquées dans l'aube avant d'être
éjecté par des fentes s'ouvrant à la surface de l'aube sur son bord de
fuite, comme dans la demande de brevet EP 0 945 594, ou sur son coté
intrados, comme dans le brevet US 4 601 638. Plus précisément, ces
tentes d'évacuation de l'air de refroidissement sont généralement réparties
entre le pied et le sommet de cette aube, de façon sensiblement
perpendiculaire à un axe longitudinal de l'aube.
II est également connu que les aubes de turbine haute pression
équipées de circuits de refroidissement sont réalisées par moulage. Les
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emplacements des fentes des circuits de refroidissement sont
classiquement réservés par des noyaux disposés parallèlement entre eux
dans le moule avant Ia coulée du métal. Pour éviter une fragilisation du
noyau lors de la coulée, la fente d'évacuation de l'aïr de refroidissement la
plus proche du pied de l'aube est généralement réalisée dans des
dimensions plus importantes que celles des autres fentes comme l'illustre
la figure 3 et le brevet américain précité.
Or, dans la pratique, la zone de raccordement située entre cette
fente et la plate-forme supportant l'aube est très mal refroidie, d'autant
plus que, à cause des dimensions importantes de cette fente et en raison
de la force centrifuge engendrée par ia rotation de l'aube, l'air évacué par
la fente a tendance à être dévié vers le sommet de l'aube. II en résulte
des gradients thermiques importants au voisinage du bord de fuite qui
génèrent par conduction, au niveau de la zone de raccordement, une
crique particulièrement préjudiciable à la durée de vie de l'aube.
Obiet et résumé de l'invention
La présente invention vise donc à pallier un tel inconvénient en
proposant une aube mobile de turbine haute pression présentant une
nouvelle géométrie qui n'engendre pas de crique. L'invention vise
également à ne pas dégrader la tenue mécanique générale de l'aube,
pièce soumise à des contraintes mécaniques très importantes. Elle vise
enfin une turbine haute pression de turbomachine équipée de telles aubes
mobiles au comportement thermique amélioré.
A cet effet, il est prévu une aube mobile de turbine haute
pression de turbomachine, comprenant au moins un circuit de
refroidissement composé d'au moins une cavité s'étendant radialement
entre un sommet et un pied de l'aube, d'au moins une ouverture
d'admission d'air à une extrémité radiale de la ou des cavités pour
alimenter le ou les circuits de refroidissement en air de refroidissement, et
d'une pluralité de fentes s'ouvrant dans la ou les cavités et débouchant sur
un coté intrados de l'aube entre le pied et le sommet de l'aube, de façon
sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal de l'aube, et une zone
de raccordement est prévue entre une fente la plus proche du pied de
l'aube et une surface supérieure d'une plate-forme définissant une paroi
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interne pour une veine d'écoulement de gaz de combustion au travers de
la turbine haute pression, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre
une fente supplémentaire d'évacuation de l'air de refroidissement
pratiquée dans ladite zone de raccordement dans le prolongement du bord
de fuite.
De la sorte, l'air de refroidissement évacué par cette fente
additionnelle est guidé au niveau du bord de fuite sur toute la surface de
la zone de raccordement de façon à éviter que des criques n'apparaissent
au niveau de celle-ci. Cette géométrie particulière du pied d'aube permet
d'abaisser de 10% environ la température locale au niveau de cette zone
tout en conservant les performances aérodynamiques procurées par les
fentes d'évacuation de coté intrados. Dès lors, il n'est plus nécessaire que
la fente la plus proche de l'aube présente des dimensions supérieures aux
autres fentes car c'est maintenant la fente additionnelle qui subit les effets
de pression dus à la coulée du métal. En outre, la fente la plus proche de
l'aube reprenant des dimensions normales, le problème posé par la
déviation de l'air de refroidissement due à la force centrifuge est éliminé
et les pertes en termes de débit en résultant sont donc réduites. Enfin, la
tenue de l'aube aux différentes contraintes mécaniques auxquelles elle est
soumise n'est pas détériorée par cette géométrie particulière.
De préférence, cette fente supplémentaire présente une forme
prise dans le groupe des formes suivantes : oblongue, rectangulaire,
triangulaire ou en T inversé et elle est obtenue directement de fonderie.
En outre, cette fente supplémentaire peut présenter une section
de sortie différente de celle de son canal d'alimentation.
Avantageusement, une extrémité inférieure longitudinale de la
fente supplémentaire est disposée juste au-dessus de ladite surface
supérieure de la plate-forme.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout
caractère limitatif. Sur les figures
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- la figure 1 est une vue en perspective d'une aube mobile de
turbine haute pression selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue partielle agrandie de la figure 1
montrant un premier exemple de réalisation de la fente supplémentaire
d'évacuation de l'air de refroidissement pratiquée dans la zone de
raccordement entre le pied de l'aube et la plate-forme,
- les figures 2A et 2B sont des vues en bout du bord de fuite au
niveau de la zone de raccordement avec la plate-forme de deux variantes
de réalisation de la fente supplémentaire d'évacuation de l'air de
refroidissement,
- la figure 2C est une vue en coupe selon le plan AA de la figure
2A,
- la figure 3 est une vue partielle agrandie de la figure 1
illustrant un second exemple de réalisation de la fente supplémentaire
d'évacuation de l'air de refroidissement,
- la figure 4 est une vue d'un pied d'aube et de la zone de
raccordement entre ce pied et la plate-forme dans une aube de l'art
antérieur.
Description détaillée d'un mode de réalisation
La figure 1 représente en perspective une aube mobile 10, par
exemple d'une turbine haute pression d'une turbomachine conforme à la
présente invention. Cette aube d'axe longitudinal X-X est fixée sur un
disque rotor (non représenté) de la turbine haute pression par
l'intermédiaire d'un emmanchement 1.2 généralement en forme de sapin.
Elle comporte typiquement un pied 14A, un sommet 14B, une paroi
intrados 16A, une paroi extrados 16B, bord d'attaque 18 et un bord de
fuite 20. L'emmanchement 12 se raccorde au pied 14A de l'aube au niveau
d'une plate-forme 22 définissant une paroi interne pour la veine
d'écoulement des gaz de combustion au travers de la turbine haute
pression.
Une telle aube est soumise aux températures très élevées des
gaz de combustion et nécessite donc d'être refroidie. A cet effet, et de
façon connue en soi, l'aube mobile 10 comporte au moins un circuit de
refroidissement interne composé par exemple d'au moins une cavité 24
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s'étendant radialement entre le pied 14A et le sommet 14B de l'aube.
Cette cavité est alimentée en air de refroidissement à l'une de ses
extrémitës radiales par une ouverture d"admission d'air (non représentée).
Cette ouverture d'admission d'air est généralement prévue au niveau de
5 l'emmanchement 12 de l'aube. I! est également prévu une pluralité de
fentes 26 s'ouvrant dans la cavité 24 et débouchant, dans l'exemple
illustré, sur le coté intrados 16A de l'aube afin d'évacuer l'air de
refroidissement s'écoulant dans la cavité. Cette disposition des fentes
d'évacuation directement au travers de la paroi intrados 16A de l'aube est
préférable à celle sur le bord de fuite (qui nécessite une épaisseur d'aube
plus importante), du faït des performances aérodynamiques meilleures
qu'elle autorise. Les fentes 26 d'évacuation de l'air de refroidissement sont
typiquement réparties entre le pied 14A et le sommet 14B de l'aube, de
façon sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal X-X de l'aube. Plus
particulièrement, la fente 28 la plus proche du pied 14A de l'aube 10 est
formée juste au-dessus d'une zone de raccordement 30 entre le pied 14A
de l'aube et une surface supérieure 22A de la plate-forme 22 du côté de la
veine d'écoulement des gaz de combustion.
La perspective de la figure 2 et les figures 2A à 2C illustrent plus
précisément la géométrie du bord de fuite 20 de l'aube au niveau de cette
zone de raccordement avec la fente 28 la plus proche du pied 14A de
l'aube 10,
Conformément à l'invention, il est prévu une fente
supplémentaire s'ouvrant dans la cavité 24 et débouchant dans ladite zone
de raccordement dans le prolongement du bord de fuite 20. Cette fente
supplémentaire 32 permet d'assurer un refroidissement par convection de
cette partie de la zone de raccordement et, par conduction, de la fente la
plus proche du pied de l'aube et d'une partie de la plate-forme située dans
le prolongement du bord de fuite. Ainsi, en homogénéisant la température
au niveau de celle-ci, il est possible de supprimer tout point chaud et ainsi
d'améliorer le comportement thermique de l'aube. L'air de refroidissement
évacué par cette fente additionnelle recouvre en effet toute la surface de
la zone de raccordement au niveau du bord de fuite et en abaisse la
température locale de 10% environ, et cela sans modifier les
performances aérodynamiques que procurent les fentes d'évacuation du
coté intrados. Ainsi, tout risque de crique au niveau de cette zone de
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raccordement entre le pied de l'aube et la plate-forme disparaît et la durée
de vie de l'aube s'en trouve rallongée. Dès lors, il n'est plus nécessaire
que la fente 28 la plus proche du pied de l'aube présente des dimensions
supérieures aux autres fentes 26, comme l'illustre l'art antérieur de la
figure 4 et, en reprenant des dimensions normales, le problème posé par
la déviation de l'air de refroidissement au niveau de cette fente, due à la
force centrifuge, est éliminé ainsi que les pertes en termes de débit en
résultant.
La fente supplémentaire peut présenter différentes formes
déterminées en fonction des critères de dimensionnement thermique et
mécanique souhaités. De même, le canal d'alimentation et l'orifice de
sortie peuvent être de sections différentes. Ainsi, la figure 2 illustre une
fente supplémentaire présentant un canai d'alimentation et un orifice de
sortie de forme allongée, avantageusement oblongue (une section
rectangulaire est aussi envisageable). Sur la figure 2A, la section en sortie
est toujours oblongue mais le canal interne d'alimentation est
sensiblement triangulaire, c'est à dire évasé de part et d'autre de ce trou
de sortie, de sorte à assurer un meilleur refroidissement de la zone de
raccordement tout en ayant un débit de sortie parfaitement calibré. Selon
les contraintes thermiques et les efforts mécaniques subis par l'aube, cet
évasement d'angle variable peut être dissymétrique et donc se diriger que
vers un seul coté, comme l'illustre la figure 2B.
Une variante de réalisation de la fente additionnelle dont le
canal d'alimentation présente une forme en T inversé confondue avec
celle de l'orifice de sortie 34 est également illustré à la figure 3.
Cette fente est avantageusement obtenue directement de
fonderie en même temps que l'aube elle-même (et non usinée ensuite) et
elle traverse l'aube jusqu'à la cavité 24 tout en restant constamment juste
au-dessus du niveau de la surface supérieure de la plate-forme (c'est à
dire que son extrémité inférieure longitudinale 32A ou 34A est au-dessus
de cette surface supérieure 22A). Ainsi, c'est cette fente additionnelle qui
subit les effets de la pression de coulée de métal et non la fente 28 la plus
proche du pied de l'aube, comme dans !'art antérieur, et tout risque de
fragilisation de l'aube lié à un usinage est écarté.
