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CA 02581007 2007-03-07
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Aube mobile de turbomachine à cavité commune d'alimentation
en air de refroidissement
Arrière-pian de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général du
refroidissement des aubes mobiles de turbomachine, et notamment aux
aubes mobiles de la turbine haute-pression.
Il est connu de munir les aubes mobiles d'une turbine à gaz de
turbomachine, telles que les turbines haute et basse pression, de circuits
internes de refroidissement leur permettant de supporter sans dommages
les températures très élevées auxquelles elles sont soumises pendant le
fonctionnement de la turbomachine. Ainsi, dans le cas d'une turbine
haute-pression, les températures des gaz issus de la chambre de
combustion atteignent des valeurs largement supérieures à celles que
peuvent supporter sans dommages les aubes mobiles de la turbine, ce qui
a pour conséquence de limiter leur durée de vie.
Grâce à de tels circuits de refroidissement, de l'air, qui est
introduit dans l'aube par son pied, traverse celle-ci en suivant un trajet
formé par plusieurs cavités pratiquées dans l'aube avant d'être éjecté par
des orifices de sortie débouchant à la surface de l'aube.
Le procédé de fabrication par moulage d'une aube mobile de
turbine à gaz munie d'un circuit de refroidissement de ce type présente
des inconvénients. Une aube de ce type est généralement obtenue en
coulant un métal dans un moule contenant un noyau céramique ayant
pour fonction de réserver un emplacerrient pour chacune des cavités des
circuits de refroidissement de l'aube. Gr, le nombre important de cavités
nécessaires au refroidissement de l'aube rend difficile la réalisation d'un
noyau céramique qui soit robuste. Les risques pour qu'un tel noyau se
casse sont donc importants.
Par ailleurs, compte tenu de la forme particulière d'une aube
mobile de turbine à gaz, une même cavité d'un circuit de refroidissement
n'est pas située dans un même plan ; la partie de la cavité située au
niveau du pied d'aube est décalée par rapport au reste de la cavité. En
d'autres termes, les cavités sont courbées. Il résulte de cette courbure des
cavités que l'écoulement de l'air dans c;es cavités est perturbé ce qui nuit
au refroidissement de l'aube.
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Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels
inconvénients en proposant une aube mobile munie de circuits internes de
refroidissement dont la fabrication par moulage est simplifiée et
l'écoulement de l'air dans les cavités facilité.
Ce but est atteint grâce à urie aube mobile de turbomachine,
comportant une surface aérodynamique s'étendant radialement entre un
pied d'aube et un sommet d'aube et au moins un circuit de
refroidissement interne composé d'au moins une cavité radiale, d'au moins
une ouverture d'admission d'air formée au niveau du pied d'aube et
débouchant dans la ou les cavités et d'une pluralité d'orifices de sortie
s'ouvrant dans la ou les cavités et débouchant à l'extérieur de l'aube, le
pied d'aube comportant des renflements inférieurs et supérieurs
définissant des portées pour la fixation du pied sur un disque de rotor,
l'aube étant caractérisée en ce que les ouvertures d'admission d'air du ou
des circuits de refroidissement s'ouvreni: dans une cavité commune qui est
formée dans le pied d'aube et qui s'étend radialement depuis la base du
pied d'aube jusqu'au moins les renflements supérieurs du pied.
Le procédé de fabrication par moulage d'une telle aube est
simplifié. En effet, le noyau céramique est consolidé par la présence de
l'emplacement réservé à la cavité commune d'alimentation en air des
cavités du ou des circuits de refroidissement. Par ailleurs, la présence
d'une telle cavité commune au niveau du pied d'aube évite de courber les
cavités du ou des circuits circuit de refroidissement, ce qui améliore
l'écoulement de l'air dans ces dernières. En outre, la présence de la cavité
commune permet de réaliser des aubes à fort maître-couple - et donc à
pied élargi - sans pour autant augmenter considérablement leur masse
(l'utilisation d'aubes à fort maître-couple ayant pour but de diminuer le
nombre total d'aubes mobiles d'un même étage d'une turbine à gaz).
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la cavité
commune comporte des moyens pour assurer un détrompage d'une
plaque de calibrage des débits d'air alimentant les cavités du ou des
circuits de refroidissement.
La cavité commune peut être ouverte en partie au niveau d'une
paroi amont de façon à faciliter l'alimentation en air de celle-ci.
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Le fond de la cavité commune peut être incliné d'amont en aval
par rapport à la base du pied d'aube, toujours de façon à faciliter
l'alimentation en air de la cavité.
La cavité commune peut comporter une paroi radiale formant
raidisseur qui est disposée de façon à diviser la cavité en deux sous
cavités.
L'invention a également pour objet une turbine haute-pression
de turbomachine et une turbomachine comportant une pluralité d'aubes
mobiles telles que définies précédemment.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de ia 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 :
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une aube
mobile selon l'invention ;
- les figures 2A et 2B sont des vues partielles et en perspective
du pied de l'aube de la figure 1; et
- les figures 3A et 3B sont des vues partielles et en coupe
d'aubes mobiles selon d'autres modes de réalisation de l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation
Les figures 1, 2A et 2B représentent une aube mobile 10 de
turbomachine, telle qu'une aube mobile de turbine haute-pression. Bien
entendu, l'invention peut également s'appliquer à d'autres aubes mobiles
de la turbomachine, par exemple aux aubes de la turbine basse-pression
de celle-ci.
L'aube 10 comporte une surface aérodynamique (ou paie) qui
s'étend radialement entre un pied d'aube 12 et un sommet d'aube 14.
Cette surface aérodynamique se compose d'un bord d'attaque 16 disposé
en regard de l'écoulement des gaz chauds issus de la chambre de
combustion de la turbomachine, d'un bord de fuite 18 opposé au bord
d'attaque 16, d'une face latérale intrados et d'une face latérale extrados,
ces faces latérales (non représentées sur les figures) reliant le bord
d'attaque 16 au bord de fuite 18.
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L'aube 10 comporte également deux renflements (ou dents)
inférieurs 12a qui sont disposés latéralement de part et d'autre du pied
d'aube 12 et deux renflements supérieurs 12b également disposés
latéralement de part et d'autre du pied, ces renflements 12a, 12b
définissant des portées pour la fixation du pied dans une alvéole d'un
disque de rotor (non représenté). On définit par col inférieur 12c la section
du pied d'aube délimitée entre les renflements inférieurs 12a et supérieurs
12b, et par col supérieur 12d la section délimitée entre les renflements
supérieurs 12b et la face inférieure de la plate-forme 12e du pied.
De façon connue en soi, l'aube 10 comporte au moins un circuit
interne de refroidissement. Celui-ci se compose d'une ou plusieurs cavités
s'étendant radialement sur toute la hauteur de la pale, d'une ou
plusieurs ouvertures d'admission d'air 22 formées au niveau du pied
d'aube 12 et débouchant dans la ou les cavités 20 et d'une pluralité
15 d'orifices de sortie 24 s'ouvrant dans la ou les cavités et débouchant à
l'extérieur de l'aube.
Sur l'exemple de réalisation de la figure 1, il est prévu quatre
circuits internes de refroidissement de l'aube 10 : un circuit situé au
voisinage du bord d'attaque 16 de l'aube et formé de deux cavités radiales
20 20a qui sont alimentées par une ouverture d'admission d'air 22a ; deux
circuits situés dans la partie centrale de l'aube et formé pour l'un de trois
cavités radiales 20b qui sont alimentées par une ouverture d'admission
d'air 22b et pour l'autre de deux cavités radiales 20c qui sont alimentées
par une ouverture d'admission d'air 22c ; et un circuit situé au voisinage
du bord de fuite 18 de l'aube et formé d'une cavité radiale 20d qui est
alimentée par une ouverture d'admission d'air 22d.
Tous ces circuits de refroidissement sont par ailleurs équipés
d'orifices de sortie, respectivement 24a à 24d, qui s'ouvrent dans les
cavités radiales 20a à 20d et débouchent à l'extérieur de l'aube. Bien
entendu, le nombre de circuits de refroidissement et la quantité de cavités
radiales, d'ouvertures d'admission d'air et d'orifices de sortie composant
chacun de ces circuits peuvent être différents.
L'aube 10 est typiquement obtenue en coulant un métal dans un
moule contenant un noyau céramique ayant pour fonction de réserver un
emplacement pour chacune des cavités radiales 20 du ou des circuits
internes de refroidissement de l'aube.
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Selon l'invention, les ouvertures d'admission d'air 22 du ou des
circuits internes de refroidissement de l'aube 10 s'ouvrent toutes dans une
cavité commune 26 formée dans le pied d'aube 12.
La présence d'une telle cavité commune 26 au niveau du pied
5 d'aube présente de nombreux avantages. D'une part, le procédé de
fabrication par moulage de l'aube est simplifié. En effet, les dimensions de
cette cavité commune font que le noyau céramique nécessaire à ce type
de procédé de fabrication est consolidé au niveau de l'emplacement
réservé à la cavité commune. D'autre part, la présence d'une cavité
commune permet d'améliorer l'écoulement de l'air dans les cavités du
circuit de refroidissement de l'aube. Enfin, la présence de la cavité
commune permet de réaliser une aube à pied élargi sans pour autant
augmenter considérablement sa masse.
La cavité commune 26 peut présenter une forme sensiblement
parallélépipédique comme représenté sur les figures 1, 2A et 2B. A titre
d'exemple, une telle cavité commune peut présenter une section de l'ordre
de 2000mm2 environ, les cavités du ou des circuits de refroidissement
ayant une section habituelle de 4 à 30mm2 environ.
Comme illustré sur la figure 1, la cavité commune 26 s'étend
radialement depuis la base 12f du pied d'aube 12 jusqu'au moins les
renflements supérieurs 12b de celui--ci. Une telle disposition permet
d'obtenir une cavité haute qui limite les pertes de charge
d'alimentation des cavités de refroidissement 20a à 20d. En outre,
l'alimentation en air de refroidissement de ces cavités est plus homogène.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la cavité
commune 26 comporte des moyens 28 pour assurer un détrompage d'une
plaque 30 de calibrage des débits d'air alimentant les cavités 20 du ou des
circuits internes de refroidissement de I'aube.
L'utilisation d'une plaque 30 de calibrage des débits d'air
alimentant les cavités du ou des circuits internes de refroidissement d'une
aube est bien connue en soi. Typiquement, il s'agit d'une plaque
métallique 30 qui est fixée (par brasure ou soudure par exemple) au
niveau de la base du pied d'aube. La plaque 30 est percée de trous de
calibrage 32 disposés en regard cies ouvertures d'admission d'air
lorsqu'elle est montée en situation. Selon la section des trous 32 de la
plaque, il est ainsi possible de calibrer de façon précise les débits d'air
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alimentant les cavités du ou des circuits internes de refroidissement de
l'aube.
Dans le cadre de l'invention, une telle plaque 30 de calibrage est
fixée dans le fond 26a de la cavité commune 26 comme cela est
représenté sur les figures 3A et 3B. L'avantage d'un montage de la plaque
de calibrage dans le fond de la cavité commune est de permettre une
homogénéisation de i'air dans la cavité commune avant d'alimenter les
cavités radiales du ou des circuits de refroidissement.
Afin d'assurer un détrompage de cette plaque 30 de calibrage
(c'est-à-dire pour éviter que la plaque ne soit montée dans le mauvais
sens), la plaque 30 présente une découpe 34 (par exemple formée au
niveau de l'un de ses coins comme illustré sur la figure 2B) et la cavité
commune 26 présente, en section droite, une géométrie sensiblement
identique à celle de la plaque (sur la figure 2B, la plaque présente dans un
ses angles, un ajout de matière 28 de forme complémentaire à la découpe
34 de la plaque).
On comprend aisément de la figure 2B qu'il n'est pas possible de
monter la plaque 30 de calibrage dans le mauvais sens. Ainsi, tout risque
d'erreur dans le calibrage des débits d'air alimentant les cavités du ou des
circuits internes de refroidissement de l'aube est écarté.
Les figures 3A et 3B représentent deux autres modes de
réalisation de la cavité commune de l'aube mobile selon l'invention. Sur
ces figures, l'aube mobile 10', 10" est montée entre un flasque aval 36 et
un flasque amont 38 et l'alimentation en air des circuits de refroidissement
de l'aube s'effectue au niveau du flasque amont 38 comme cela
schématisé par la fièche.
Sur la variante de réalisation de la figure 3A, la cavité commune
26 formée dans le pied 12 de l'aube 10' pour l'alimentation en air des
cavités des circuits internes de refroicissement est ouverte en partie au
niveau d'une paroi amont 26b de façon à faciliter l'alimentation en air de
celle-ci.
Sur la variante de réalisation de la figure 3B, le fond 26a de la
cavité commune 26 formée dans le pied 12 de l'aube 10" pour
l'alimentation en air des cavités des circuits internes de refroidissement est
incliné d'amont en aval par rapport à la base 12f du pied d'aube de façon
à faciliter l'alimentation en air de la cavité.
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Bien entendu, ces deux variantes de réalisation de la cavité
commune peuvent se combiner : celle-ci peut être ouverte en partie au
niveau de sa paroi amont et avoir un fond incliné d'amont en aval par
rapport à la base du pied d'aube.
Selon encore une autre variante de réalisation de la cavité
commune non représentée sur les figures, la cavité commune peut
comporter une paroi radiale qui est disposée de façon à diviser la cavité
commune en deux sous cavités. Une telle paroi radiale permet de former
un raidisseur de la cavité commune afin d'améliorer sa tenue mécanique.
