Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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Aube de turbomachine réalisée de fonderie avec un engraissement local de
la section de la pale
La présente invention concerne les aubes de turbomachine. Elle porte sur
les aubes de turbomachines ou de modules de turbomachine, tels que des
modules de compresseur ou de turbine, réalisées de fonderie et en
particulier sur l'engraissement de la zone de raccordement entre la pale et
son talon ou la pale et la plate forme associée.
Les aubes obtenues par fonderie de superalliages à base de nickel ou de
cobalt sont fabriquées selon la technique dite à la cire perdue. Ces aubages
ont des structures métallurgiques colonnaires ou monocristallines obtenues
par un procédé de solidification dirigée. Ce procédé est délicat à maîtriser,
en particulier pour des pièces creuses et fortement tridimensionnelles.
La fabrication de tels aubages passe par la réalisation d'un modèle en cire,
ou autre matériau équivalent, qui comprend une pièce interne formant un
noyau de fonderie et figurant les cavités de l'aubage. On utilise, pour
former le modèle, un moule d'injection pour cire dans lequel on place le
noyau et on y injecte la cire. Le modèle en cire est ensuite trempé plusieurs
fois dans des barbotines constituées d'une suspension de particules
céramiques pour confectionner un moule carapace. On élimine la cire et on
cuit le moule carapace. On obtient l'aubage en coulant un métal en fusion
qui vient occuper les vides entre la paroi intérieure du moule carapace et le
noyau. Grâce à un germe, ou un sélecteur approprié, et un refroidissement
contrôlé, le métal se solidifie selon une structure cristalline voulue. Selon
la
nature de l'alliage et les propriétés attendues de la pièce résultant de la
coulée, il peut s'agir de solidification dirigée à structure colonnaire, de
solidification dirigée à structure monocristalline ou de solidification
équiaxe (EX). Après la solidification de l'alliage, la carapace et le noyau
sont décochés, il en ressort l'aubage désiré.
La solidification est un moment durant lequel le métal subit des contraintes
thermiques importantes, ces contraintes sont souvent à l'origine de la
recristallisation du métal. En effet, sur des aubages pleins monocristallins
bruts de fonderie, d'importantes zones de recristallisation bien définies sont
constatées. Par exemple lorsque l'aube comprend un talon, des zones
recristallisées se situent sur la pale, sous le talon, environ 10 mm sous le
raccordement pale-talon, comme on l'a représenté sur la figure 1. La
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recristallisation sur ces aubes a pour origine des contraintes trop
importantes imposées au métal au cours de la solidification.
Pour tenter de remédier à ce problème et supprimer le défaut de
recristallisation plusieurs essais ont été conduits qui n'ont pas apporté de
solutions concrètes. On a réduit la taille des amenées de coulée ou encore
procédé à des allègements de la paroi du moule carapace. Une autre
méthode testée, pour remédier à ce problème, a été d'ajouter différents
types de surépaisseurs ou engraissements, localement, sur tout le pourtour
de la pale immédiatement sous le talon. On obtient un tel engraissement en
modifiant le modèle en cire à partir duquel on réalise le moule. Des
exemples de modifications sur les racines, sont représentés sur les figures
2a, 2b et 2c.
La racine, ou surépaisseur, est définie par une hauteur et une épaisseur en
intrados et en extrados. La zone de raccordement s'étend sur tout le
pourtour de la pale. Des essais réalisés ont permis de constater l'influence
de la géométrie de la racine sur la recristallisation. La figure 2a montre une
racine avec une épaisseur a de 2 mm et une hauteur h de 5 mm. La figure
2b montre une racine avec une épaisseur a de 2 mm et une hauteur 2h de 10
mm. La figure 2c montre une racine avec une épaisseur a' de 3 mm et une
hauteur 2h de 10 mm. Il n'a été possible d'éliminer le phénomène de
recristallisation qu'avec une racine de taille relativement importante
facilitant l'écoulement du métal en fusion entre la pale et le talon.
Mais, en raison de cette taille, la racine n'est pas satisfaisante sur le plan
aérodynamique : d'une part elle crée une marche nominale tangentielle
dans la veine, générée par la troncature du rayon veine externe, d'autre part
sa présence sur tout le profil perturbe de manière non négligeable les
performances aérodynamiques sur la turbomachine.
De plus, une telle racine induit un accroissement de masse non négligeable
et une augmentation de la loi de la section de façon abrupte. Les principales
conséquences sont, d'une part une augmentation des contraintes centrifuges
sur la pale et donc une diminution forte des durées de vie, notamment en
fluage, et d'autre part un mauvais positionnement du centre de gravité dans
une coupe au niveau du talon, impliquant une augmentation des contraintes
locales de la pale sous le talon ou sur le disque, amenant une diminution
des durées de vie et de la marge en survitesse.
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On connait par ailleurs les demandes de brevets publiées sous les numéros
EP0833060, EP0441097 et EP1688586 qui divulguent des aubes de
compresseur ou de turbine présentant des épaississements ou des
extensions latérales de la pale pour améliorer l'écoulement aérodynamique
entre les aubes.
Pour remédier à ces inconvénients, le déposant s'est fixé comme objectif
d'élaborer une racine satisfaisante à la fois vis-à-vis de la coulabilité du
métal en fusion dans le moule carapace, des contraintes aérodynamiques à
respecter et de la tenue mécanique de la pièce en utilisation sur la
turbomachine.
L'invention a ainsi pour objet la construction d'une aube, avec la mise en
place d'un épaississement local de la section de la pale, désigné racine,
favorable pour ce qui concerne les critères rapportés ci-dessus. Afin de
satisfaire ces critères, l'épaississement est appliqué sur une surface
particulière de la pale, principalement en bord d'attaque, intrados et
extrados, sur une hauteur définie.
Conformément à l'invention, une aube de turbine monocristalline pour uen
roue de turbine de turbomachine réalisée de fonderie en solidification
dirigée, comprenant :
une pale avec une bord d'attaque BA, une face intrados FI, une face
extrados FE, un bord de fuite BF, un squelette S et d'axe longitudinal ZZ,
les faces FI et FE présentant une ligne de col, respectivement col d'intrados
CI et col d'extrados CE par rapport à l'aube adjacente dans la roue de
turbomachine dont elle constitue un élément,
une pièce d'extrémité de la pale, telle qu'un talon ou une plateforme,
présentant une face d'extrémité de pale, côté veine, formant un angle avec
l'axe ZZ et
une zone de raccordement entre la pale et ladite face d'extrémité de
pale, ladite zone de raccordement formant un engraissement de la pale,
est caractérisée par le fait que ladite zone de raccordement s'étend
autour du bord d'attaque BA entre un point P1 situé sur l'extrados FE de la
pale et sur la face d'extrémité du talon en amont du col d'extrados CE en
référence au sens d'écoulement du fluide et un point P3 situé sur l'intrados
FI de la pale et sur la face d'extrémité du talon en amont du col d'intrados
CI.
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Ainsi l'invention permet-elle de résoudre le problème de la coulabilité du
métal en fusion tout en assurant à la fois les performances aérodynamiques
et la tenue mécanique. Elle a consisté à définir un engraissement de
matière, sur une surface particulière de la pale, principalement en bord
d'attaque, intrados et extrados et sur une hauteur définie, permettant de
respecter les critères multi-disciplines.
L'invention a pour avantage de supprimer la recristallisation, tout en
respectant les critères aérodynamiques, et permet d'améliorer la durée de
vie de la pale.
L'invention s'applique à toutes les aubes de turbomachines brut de
fonderie, qu'elles soient fixes ou mobiles, placées dans une veine non
cylindrique. L'invention est expliquée pour des engraissements en bord
d'attaque entre la pale et la veine supérieure, mais peut aussi s'appliquer à
des engraissements en bord d'attaque entre la pale et la veine inférieure si
la conicité de la veine implique le besoin.
Avantageusement la section de ladite pale dans la zone de raccordement,
mesurée perpendiculairement au bord d'attaque du profil théorique,
augmente en se dirigeant vers ledit talon, en restant inférieure à celle que
présente l'aube dans sa partie inférieure.
On obtient ainsi une limitation de l'augmentation de la masse en extrémité
de pale et on ne dégrade que modérément sa résistance en tenue mécanique.
Conformément à une autre caractéristique de l'invention, la ligne des points
P2 situés les plus en amont par rapport au sens d'écoulement du fluide dans
la zone de raccordement est située dans le prolongement du bord d'attaque
BA de la pale sur le squelette S.
Conformément à une autre caractéristique, la face d'extrémité de pale hors
les congés de raccordement à la face d'extrémité de pale et au bord
d'attaque BA de l'aube, est rectiligne et forme avec forme un angle a avec
la ligne des points P2 au moins égal à 75 et inférieur à 90 .
Conformément à une autre caractéristique de l'invention également, la
courbure de la zone de raccordement dans au moins un plan de coupe
perpendiculaire au bord d'attaque du profil théorique, au point
correspondant de la ligne des points P2 est fonction de la courbure du bord
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d'attaque et de la distance séparant, dans ledit plan de coupe le point de la
ligne des points P2 du bord d'attaque de la pale. Pour mémoire : la
courbure en un point est égale au rayon du cercle inscrit dans le profil au
niveau du point.
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De préférence le rayon de courbure audit point de la ligne des points P2 est
égal au rayon de courbure correspondant sur le profil théorique BAv, plus
un tiers de la longueur 11 telle que définie plus bas.
Conformément à une autre caractéristique, la surface de la zone de
raccordement en Pl située sur l'extrados FE d'une part et la surface de la
zone de raccordement en P3 située sur l'intrados FI d'autre part, est
tangente à la pale.
Conformément à une autre caractéristique, la surface de la zone de
raccordement présente un profil C 1 entre la ligne des points P2 et le point
Pl situé sur l'extrados FE qui se déduit, au moins en partie, de celui de la
surface extrados FEv de la pale théorique par une combinaison de
transformations géométriques du type translation, homothétie et/ou affinité,
avec des parties de liaison assurant la continuité avec le reste du profil de
la
pale.
Conformément à une autre caractéristique, la surface de la zone de
raccordement présente un profil C3 entre la ligne des points P2 et le point
P3 situé sur l'intrados FI qui se déduit, au moins en partie, de celui de la
surface intrados FIv de la pale théorique par une combinaison de
transformations géométriques du type translation, homothétie et/ou affinité,
avec des parties de liaison assurant la continuité avec le reste du profil de
la
pale.
Conformément à une autre caractéristique, la position du point P3 situé sur
l'intrados est déterminée de façon à optimiser la position du centre de
gravité de la zone de raccordement. Dans au moins un plan de coupe
perpendiculaire au bord d'attaque du profil théorique, le centre de gravité
de la zone de raccordement définie par la surface située en amont des
points P 1 et P3 par rapport au sens d'écoulement du fluide, se trouve sur
l'axe de plus petite inertie de la surface du profil théoriques, de préférence
au plus près du centre de gravité de ladite coupe.
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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.
La figure 1 illustre la position d'une zone de recristallisation en
intrados et extrados sur des aubes pleines monocristallines brutes de
fonderie.
Les figures 2a, 2b et 2c illustrent des essais de différents
engraissements de la racine, sur tout le pourtour du profil.
La figure 3 représente, vue de profil et schématiquement, l'extrémité
d'une aube avec talon dont la zone de raccordement est engraissée
conformément à l'invention.
La figure 4 représente l'aube de la figure 3 vue en coupe selon une
direction 4-4 placée parallèlement et immédiatement en-dessous du talon.
La figure 5 est un graphique de la loi des aires des sections de l'aube
selon l'invention le long de l'axe ZZ, comparée à celle d'une racine non
optimisée s'étendant sur tout le pourtour du profil.
En référence aux figures 3 et 4, on voit une aube 10 comprenant une pale
11 et une pièce d'extrémité 20 (ici un talon), représentée schématiquement.
Il peut s'agir d'une plateforme dans le cas de l'extrémité radialement
interne ; pour la suite on considèrera le cas d'un talon en extrémité
radialement externe de la pale. Le talon en extrémité de la pale 11 a pour
fonction d'assurer l'étanchéité de la veine et comprend sur sa surface
extérieure des léchettes d'un joint d'étanchéité, non représentées. La pièce
d'extrémité 20 présente une face d'extrémité de pale 21, tournée vers la
pale. Cette face forme un angle 0 non nul avec l'axe ZZ de la pale. Sur
l'exemple représenté l'angle 0 est d'environ 50 . La pale 11 de la
turbomachine comporte une face intrados FI et une face extrados FE
s'étendant entre un bord d'attaque BA et un bord de fuite BF.
L'aube 10 comprend une zone de raccordement entre la pale et le talon
formant une surépaisseur ou un engraissement 11E à partir d'un point Pl
sur la face extrados FE, et d'un point P3 sur la face intrados FI. Cet
engraissement est l'excès de matière par rapport au profil théorique de la
pale, c'est-à-dire celui qu'elle aurait sans prise en compte du problème
technique résolu par l'invention, directement sous la surface d'extrémité 21
et qui est représenté par les traits en pointillés BAv, FIv et FEv sur les
figures 3 et 4.
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L'engraissement est défini par les règles décrites ci-après. Le point P1 est
situé en amont de la ligne de col extrados CE, le col étant la distance
minimale séparant deux aubes voisines. La zone de raccordement, en P 1,
est tangente à la pale 11. Vu en coupe selon des directions parallèles à la
surface 21, le profil C 1 de l'extrados de la zone de raccordement 11 E est
sensiblement le même, au moins en partie, que celui de la zone extrados
FEv de la pale théorique, avec des parties de liaison assurant la continuité
avec le reste du profil de la pale. Cette similarité se définit par le fait
que le
profil C 1 se déduit de celui de la zone FEv par une combinaison de
transformations géométriques du type translation, homothétie et/ou affinité.
L'épaisseur de la zone de raccordement 11E sur l'extrados doit être
minimale. Cette épaisseur est définie par l'expérience de fonderie, elle est
imposée pour minimiser les pertes de performances aérodynamiques.
Le rajout de matière intrados est défini par les règles décrites ci-après. Le
point P3 est situé en amont de la ligne de col intrados CI. La zone de
raccordement, en P3, est tangente à la pale 11. Le profil C3 de la surface
intrados de la zone de raccordement 11 E est lui aussi similaire à celui de la
zone intrados FIv de la pale théorique et s'en déduit par une combinaison de
transformations géométriques du même type que pour l'extrados.
Le positionnement du point P3 est déterminé avec une certaine marge dans
le but d'optimiser la position du centre de gravité de la zone de
raccordement 11 E. Le déplacement du point P3 vers le point CI permet de
déplacer le centre de gravité de la zone de raccordement vers le point CI et
inversement. L'optimisation de la position du centre de gravité de la zone
de raccordement permet à la pale de garder sa tenue mécanique. Le centre
de gravité de la zone de raccordement est avantageusement sur l'axe de
plus petite inertie de la surface du profil théorique, de préférence au plus
près du centre de gravité de la surface du profil théorique.
L'engraissement de la zone de raccordement en intrados est déterminé,
d'une part, par une épaisseur minimale, spécifiée par l'expérience fonderie,
afin de respecter des critères de coulabilité, et d'autre part, par une
épaisseur maximale résultant de l'objectif section/masse afin de respecter
les contraintes de tenue mécanique.
Comme noté précédemment, l'engraissement est situé principalement au
niveau du bord d'attaque BA de la pale. Le bord d'attaque BA est la ligne
formée des point le plus en amont sur le profil de la pale et le bord de fuite
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ô
BF est la ligne des points le plus en aval. L'amont et l'aval sont définis par
rapport à l'écoulement du gaz autour de la pale. La ligne des points P2 de
la zone de raccordement, qui sont situés également le plus en amont sur la
pale, est située dans le prolongement de la ligne du bord d'attaque BA et du
squelette S de la pale. Le squelette de la pale, appelé aussi ossature ou
ligne
moyenne, est l'ensemble des points équidistants de l'extrados FE et de
l'intrados FI.
La zone de raccordement, sur laquelle est positionné la ligne des point P2
qui est de préférence rectiligne, aux congés de raccordement près avec la
face d'extrémité 21 de la pale et avec le bord d'attaque, est définie par des
angles a et P. L'angle (x correspond à l'angle entre la face d'extrémité de la
pale et la ligne des points P2. L'angle 5 est l'angle entre la ligne des
points
P2 et le bord d'attaque BA. Ces deux angles, sont définis par l'expérience
de fonderie afin de respecter le critère de coulabilité. L'angle a se situe
dans un intervalle compris entre 75 à 90 . Quant à l'angle (3, il est lié à
l'angle a. Le raccordement entre la zone 11E et la surface 21 n'est pas
sécant mais est progressif avec un arrondi.
Le point de la ligne des points P2 sur la face 21 est à une distance 11 du
bord d'attaque BAv théorique. La longueur Il est déterminée de manière à
conserver les critères aérodynamiques de la pale. Sa longueur est suffisante
afin de préserver la tenue mécanique du talon.
La hauteur 12 représente la hauteur de la zone de raccordement à proximité
du bord d'attaque. Cette hauteur est comprise entre une valeur minimale et
une valeur maximale. La valeur minimale doit satisfaire le critère de
coulabilité, la valeur minimale est déterminée par l'expérience de fonderie.
Par ailleurs, la valeur maximale vise à respecter l'objectif de loi de
section/masse pour préserver la tenue mécanique.
La figure 5 est un graphique, avec, pour axe des abscisses, l'aire d'une
coupe de la pale selon un plan perpendiculaire au bord d'attaque du profil
théorique, et pour axe des ordonnées, le rayon au point correspondant du
bord d'attaque, représentant la loi d'évolution de la section/masse le long de
la veine. On constate que la géométrie de la racine de l'invention permet de
réduire considérablement la section et les problèmes qui y sont associés. Le
gain de masse GM est illustré par la surface entre la portion de courbe
représentant l'aire des coupes à travers la racine initiale RI telle qu'elle
aurait été réalisée sans l'invention, c'est )à dire avec un épaississement sur
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tout le pourtour de la pale et la racine RO selon l'invention. On constate
que la section de la pale, qui diminue en se rapprochant du talon, augmente
dans la zone de raccordement, mais reste inférieure à la valeur qu'elle a
dans la partie inférieure de la pale.
