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CA 02478954 2004-08-12
Aube refroidie de moteur à turbine à gaz
~o
La présente invention concerne le refroidissement d'aubes dans un
moteur à turbine à gaz, en particulier d'aubes de distributeur de turbine.
Dans un moteur à turbine à gaz, l'air est comprimé dans un
compresseur et est mélangé à un carburant dans la chambre de combustion.
Le flux sortant de cette dernière entraîne une ou plusieurs turbines, avant
d'être éj ecté dans une tuyère d'éj ection.
Les étages de turbines comprennent des rotors séparés par des
distributeurs, destinés à orienter les flux de gaz. En raison de la
température
des gaz qui les parcourent, les aubes sont soumises à des conditions de
fonctionnement très sévères ; i1 est donc nécessaire de les refroidir, en
ts général par convection forcée ou bien par impact d'air, à l'intérieur des
aubes.
La figure 1 représente une aube 1 de distributeur de l'art antérieur,
dans laquelle le refroidissement est assuré par. une chemise longitudinale
Zo multiperforée 4. L'aube 1 s'étend entre deux plates-formes, une plate-forme
intérieure 3 et une plate-fôrme extérieure 2, qui délimitent le canal
annulaire 5 de circulation du gaz dans la turbine. Ce canal est subdivisé
circonférentiellement par les aubes 1.
2s La chemise multiperforée 4 est glissée longitudinalement dans la
cavité 6 centrale de l'aube 1. Au niveau de la plate-forme extérieure 2, un
conduit 7 alimente la chemise 4 en air froid, prélevé au compresseur par
exemple. En raison de la différence de pression existant entre (intérieur de
la chemise 4 et la zone périphérique de la cavité b délimitée par la paroi
3o extérieure de la chemise 4 et la paroi intérieure de l'aube 1, une partie
de
l'air est projetée, via Ies perforations de Ia chemise 4, contre la paroi
interne
de (aube l, assurant ainsi son refroidissement. Cet air est ensuite évacué, le
long du bord de fuite de l'aube l, par des perforations calibrées, dans la
veine de gaz 5. Le reste de l'air est évacué à travers la plate-forme interne
3
3s dans un second conduit 8 qui le mène vers d'autres parties du moteur à
refroidir, telles que le disque de turbine ou les paliers.
La cavité centrale 6 de l'aube 1 comprend deux ouvertures 9, 10, au
niveau respectivement de la plate-forme extérieure 2 et de la plate-forme
a.o intérieure 3. Au moment du montage de l'aube, la chemise 4 est glissée pax
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l'ouverture extérieure 9 de l'aube 1, et rendue solidaire à la plate-forme
extérieure 2, généralement par brasage le long de la paroi de l'ouverture
extérieure 9. La partie opposée de la chemise 4 est guidée dans l'ouverture
intérieure 10 de l'aube l, formant une glissière dans la plate-forme
s intérieure 3 pour autoriser les déplacements relatifs entre la chemise et
l'aube. En effet, en raison des différences entre les matériaux et les modes
de fabrication entre l'aube 1 et la chemise 4, ainsi qu'entre les températures
de fonctionnement, il s'ensuit une variation d'allongement entre l'aube 1 et
la chemise 4. La glissière 10 assure le maintien de l'ensemble.
L'aube 1 est forrrzée par fonderie, tandis que la chemise 4 est formée
par formage d'une tôle. Compte tenu de la différence entre les modes
d'élaboration de l'aube 1 et de la chemise 4, le jeu le long de la glissière
10
est relativement important ; ce j eu résulte notamment des tolérances de
is fabrication. Il crée une fuite d'air au niveau de la sortie de chemise 4,
puisque la pression dans la zone périphérique de la cavité 6 est plus faible
que dans le canal central formé parla chemise 4.
En référence à la figure 2, la fuite d'air illustrée par la flèche F
Zo présente le premier inconvénient d'entraîner une surpression dans la zone
périphérique de la cavité 6. Cette surpression est préjudiciable à la qualité
du refroidissement interne de l' aube 1 et plus particulièrement au niveau de
la zone du bord d'attaque qui en est la zone la plus chaude, puisque l'air
passant dans la câvité centrale de la chemise 4 a moins tendance à être
as projeté via les perforations de Ia chemise 4 contre la paroi interne de
l'aube
1. Par ailleurs, l'air provenant de la fuite ne participe pas au
refroidissement
de l'aube puisqu'il est entraîné directement vers les orifices d'évacuation
situés sur le bord de fuite. En outre, la quantité d'air entraîné dans le
conduit 8 afin de refroidir d'autres parties du moteur est réduite du fait de
la
3o fuite.
Il a été envisagé de remédier à la fuite d'air par des systèmes
d'étanchéité, mais ces derniers nuisent au coulissement de la chemise 4
dans la glissière 10, nécessaire à la compensation des différences de
3s dilatation évoquées plus haut.
La présente invention vise à pallier ces inconvénients.
A cet effet, l'invention concerne une aube de moteur à turbine à gaz
4o refroidie comprenant une pièce de fonderie et une chemise longitudinale
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obtenue par formage de tôle, la pièce de fonderie comportant un corps
longitudinal pourvu d'une cavité longitudinale avec une premiére et une
seconde ouvertures aux extrémités, la chemise étant montée dans 1a cavité
en étant f rée â la paroi de la première ouverture, et dont une portion
s d'extrémité est libre de coulisser dans Ia seconde ouverture formant
glissiére, caractérisée par le fait que ladite portion d'extrémité, guidée par
la
glissière, comporte un rétrécissement de sa section transversale de passage
pour le flux d'air évacué par la chemtise.
~a La solution de (invention est simple et peu coûteuse. Elle présente
aussi (avantage de permettre Le calibrage du débit de refroidisserr~ent des
disques.
L'invention sera mieux comprise grâce à la description suivante de
la fox~ne de réalisation préférée de (aube de l'invention, en rapport au
dessïn aaattexé, sur lequel
- la f gare 1 représente une vue de profil en coupe d'une aube de
fart antérieur ;
- la ~xgure 2 représente uzte vue de profil en coupe de la chemise
zo dans la glissière de l'aube de la f gaie 1 ; 'v
la figure 3 représente une vue de pro~I en coupe d'une première
forme de réalisation de (aube de l'invention ;
-1a figure 4 représente une vue cte profil en coupe de la chemise de
(aube de la figure 3 ;
2s - la fïgure 5 représente une vue de profil en coupe de la chemise
d'une deuxième forme de réalisation de (aube de l'invention, et
- Ia ~guxe 6 représente une vue de profil en .coupe de la chemise
d'une troisième forme de réalisation de l'aube de fiuver~tian. v
3a $ien que (invention s'applique à tout type d'aube, elle sera I;
particulièrement décrite en Hen avec une aube de distributeur de turbine.
En référence à la figure 3, l'aube 11 de distributeur de (invention
s'étend entre une plate-forme extérieure 12 et une plate-forme intérieure 13
3s du distributeur du moteur à turbine à gaz, qui délimitent un canal
annulaire
15 de circulation du gaz dans la turbine. IJlIe corirtprend une cavité
centrale E:
16 Longitudinale, ménageant deux ouvertures extérieure 19 et intérieure 20,
respectiver~aent au niveau de la plate-forme extérieure 12 et de 1a plate-
fornie intérieure 13.
4C~
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Une chemise 14 est insérée dans la cavité centrale 16 de l'aube,
ménageant une cavité périphérique de refroidissement entre la paroi externe
de la chemise 14 et la paroi interne de (aube 11. La chemise 14 est fixée à
la paroi de l'ouverture extérieure 19 de l'aube 1 l, par brasage ou soudage,
s par exemple. Elle est en outre guidée, au niveau d'une portion d'extrémité
21, dans l'ouverture intérieure 20 formant glissière à cet effet. Ainsi, il
lui
est possible de coulisser dans la glissière 20, afin de rendre l'ensemble de
(aube solidaire malgré les dilatations différentielles entre ses divers
éléments.
Au niveau de la plate-forme extérieure 12, la chemise 14 est
alimentée, par un conduit 17, en air provenant de niveaux plus froids du
moteur à turbine. Du fait de la différence de pression existant entre la
cavité centrale de 1a chemise i4 et la cavité périphérique de refroidissement
is de la cavité 16, une partie de cet air est projeté de la cavité centrale de
la
chemise vers la paroi interne de l'aube, par des perforations ménagées à cet
effet sur la chemise 14, du côté notamment du bord d'attaque de l'aube 11.
Cet air est ensuite évacué par des perforations calibrées ménagées au bord
de fuite de l'aube 11.
2p
La partie de l'air non projeté sur la paroi interne de l'aube 11 est
évacuée de la chemise 14 par un conduit 18 s'étendant, au niveau de la
plate-forme intérieure 13, à la suite de la glissière 20.
zs En réfërence à la figure 4, la chemise 14 de l'aube 11 de la figure 3,
formée par pliage de tôle, est repliée dans la zone de sa portion d'extrémité
21 guidée par la glissière 20, de manière à former un rétrécissement 22
pour le flux d'air qui est guidé dans sa cavité. Plus précisément, le
rétrécissement 22 est effectué dans la zone de Ia portion d'extrémité 21 de
30 la chemise 14 logée à l'intérieur de la glissière 20. Dans la forme de
réalisation de la figure 4, ce pliage est de profïl courbe.
Il s'agit en fait de créer, dans la portion d'extrémité 21 de la chemise
14 guidée par la glissière 20, une zone 22 dont les dimensions transversales
3s sont nettement rétrécies par rapport aux dimensions transversales de la
glissière 20.
Ainsi, grâce au pliage de la chemise 14, une perte de charge est
créée à (extrémité repliée 22 de la chemise 14. Cette perte de charge
implique une chute de la pression statique en sortie de la chemise 14. Par
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conséquent, grâce à une conformation ad hoc du pliage, il est possible de
régler la pression statique en sortie de la chemise 14 par rapport à la
pression statique de la zone de refroidissement de la cavité 16 de l'aube 14,
de façon à annuler ou au moins réduire, dans la glissière 20, la fuite d'air
en
s sortie de la chemise 14 vers ladite zone de refroidissement.
Ainsi, grâce à l'invention, il est possible de remédier à la fuite d'air
sans changer la structure ni le mode d'élaboration du corps de l'aube 11, en
conformant convenablement la portion d'extrémité 21 de la chemise 11,
1 o sans coûts de production supplémentaires.
La figure 5 représente une deuxième forme de réalisation d'une
chemise 14' de l'aube 11. Dans cette dernière, il est prévu, pour obtenir les
mêmes résultats que précédemment, de braser ou souder, à l'extrémité de la
u s portion d'extrémité 21' de la chemise 14' destinée à être guidée par la
glissière 20, une plaquette calibrée 23' percée, sur la majeure partie de sa
surface en (occurrence, d'une ouverture 24' de passage de l'air. On obtient
bien ainsi une portion 22' de dimensions transversales rétrécies par rapport
aux dimensions transversales de la glissière 20.
La figure 6 représente une troisième forme de réalisation d'une
chemise 14" de f aube 11. Dans cette dernière, il est prévu de braser, â
l'extrémité de la portion d'extrémité 21" de la chemise 14" destinée â être
guidée par la glissière 20, un tube 23" de forme conique dont les
2s dimensions transversales vont en s'amoindrissant en s'éloignant de
l'extrën~ité de la chemise 14". On obtient bien ainsi une portion 22" de
dimensions transversales rétrécies par rapport aux dimensions transversales
de la glissière 20.
3o La troisième forme de réalisation de la chemise de l'invention est
avantageuse par rapport à la deuxième en ce sens qu'elle permet de
minimiser les pertes de charge à l'entrée du cône.
