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Aube bi-pale avec lames
La présente invention concerne une aube possédant un bord
d'attaque et un bord de fuite.
Dans la description qui suit les termes "bord d'attaque" et "bord de
fuite" sont définis par rapport au sens de circulation normal de l'air le long
de l'aube.
Dans une turbomachine, l'air est comprimé par plusieurs étages
d'aubes disposées axialement le long de l'axe principal P de la
turbomachine, chaque étage comprenant une série d'aubes disposées le
long d'une circonférence autour de cet axe principal P. Un tel étage est
appelé roue aubagée. Les aubes s'étendent, depuis une plateforme
circonférentielle centrée sur l'axe principal P, sensiblement radialement
vers l'extérieur jusqu'à un carter annulaire. La hauteur d'une aube est la
dimension radiale de cette aube, c'est-à-dire sensiblement la différence
entre le rayon du carter et le rayon de la plateforme.
Comme représenté sur la figure 1, qui représente une portion d'une
roue aubagée, chaque aube 1 de cette roue aubagée s'étend entre la
surface radialement extérieure (paroi) 81 de la plateforme 80 et la surface
radialement intérieure (paroi) 91 du carter 90. Cette aube 1, étant
constituée d'une seule pale, est appelée aube monopale. L'extrémité
radialement intérieure 8 de l'aube 1 est solidaire de la plateforme 80.
L'extrémité radialement extérieure 9 de l'aube 1 est fixée au carter 90 s'il
s'agit d'une aube fixe, et est libre s'il s'agit d'une aube mobile. La roue
aubagée comprend donc cette paroi 81 de la plateforme 80, les aubes 1,
et cette paroi 91 du carter 90 selon qu'il s'agit d'aubes 1 fixes ou mobiles.
Chaque aube 1 possède un bord d'attaque 2 et un bord de fuite 3,
l'axe A (axe de l'aube) reliant ces deux bords étant sensiblement parallèle
à l'axe principal P de la turbomachine, ou faisant un angle aigu avec cet
axe principal P. Chaque aube 1 est incurvée par rapport à son axe A de
telle sorte qu'une des faces reliant son bord d'attaque 2 à son bord de
fuite 3 est convexe (face convexe 4), tandis que l'autre face reliant son
bord d'attaque à son bord de fuite est concave (face concave 5).
Le nombre d'aubes sur une roue aubagée est un compromis entre la
réduction du poids de cette roue aubagée, la résistance mécanique d'une
aube (soumise à des contraintes thermiques, et à des contraintes
mécaniques du fait de la rotation à grande vitesse de la roue aubagée), et
le rendement aérodynamique d'une aube et en conséquence le rendement
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aérodynamique de la roue aubagée. La géométrie actuelle des aubes ne
permet pas d'amélioration significative des performances aérodynamiques
d'une roue aubagée comportant ces aubes.
L'invention vise à proposer des aubes qui possèdent un meilleur
rendement aérodynamique, sans compromettre la résistance mécanique
de ces aubes.
Ce but est atteint grâce au fait que l'aube comprend une première
pale possédant une face interne et une face externe qui s'étendent entre
le bord d'attaque et le bord de fuite de l'aube, une deuxième pale
possédant une face interne et une face externe qui s'étendent entre son
bord d'attaque et son bord de fuite, et au moins une lame reliant la face
interne de la première pale et la face interne de la deuxième pale, la au
moins une lame s'étendant jusqu'au bord de fuite.
Grâce à ces dispositions, l'aube selon l'invention a une résistance
mécanique accrue comparée à une aube constituée d'une seule pale.
Cette résistance mécanique accrue autorise une réduction de l'épaisseur
moyenne de chacune des pales constituant l'aube. Cette réduction
d'épaisseur contribue à améliorer le rendement aérodynamique de l'aube,
puisque l'écoulement naturel de l'air passant autour des pales est moins
perturbé. De plus, les lames guident l'air entre les deux pales, cet air
guidé contribuant lui-même à guider l'air s'écoulant le long des parois
externes des deux pales au niveau du bord de fuite de l'aube, en
particulier grâce au fait que les lames 30 s'étendent jusqu'au bord de fuite
de l'aube. Ainsi, les turbulences de l'écoulement au niveau du bord de
fuite sont minimisées. Par conséquent, le rendement aérodynamique de
l'aube est encore amélioré.
Avantageusement, l'aube comporte au minimum trois lames.
Ce nombre plus important de lames permet de mieux rigidifier l'aube,
et de mieux guider l'air s'écoulant dans l'espace entre la première aube et
la deuxième aube.
L'invention concerne également une roue aubagée comportant sur sa
circonférence une série d'aubes selon l'invention.
L'amélioration du rendement aérodynamique de chacune des aubes
selon l'invention (par rapport à une aube monopale), rendue possible
grâce à leur géométrie, autorise un espacement plus grand des aubes
entre elles le long de la circonférence de la plateforme de la roue aubagée
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par rapport à l'espacement entre des aubes monopale sur une roue
aubagée de l'art antérieur. Au total, malgré le fait qu'une aube individuelle
selon l'invention puisse être d'un poids supérieur au poids d'une aube
monopale, une roue aubagée selon l'invention peut donc être de poids
égal ou inférieur à une roue aubagée munie d'aubes monopale, et avec un
rendement supérieur.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux,
à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation
représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux
dessins annexés sur lesquels :
¨ la figure 1 est une vue en perspective d'aubes selon l'art antérieur,
¨ la figure 2 est une vue en perspective d'une aube selon
l'invention,
¨ la figure 3 est une coupe transversale selon le plan III-III de
l'aube de la figure 2,
¨ la figure 4 est une coupe longitudinale selon le plan IV-IV de
l'aube de la figure 3,
¨ la figure 5 est une coupe longitudinale d'un autre mode de
réalisation de l'aube de la figure 3.
La figure 2 représente une aube 100 selon l'invention, montée sur
une plateforme 80. L'aube 100 comprend une première pale 10, une
deuxième pale 20, chacune de ces pales étant similaire à une aube
monopale et possédant donc une face convexe, une face concave, un bord
d'attaque et un bord de fuite. Ces deux pales sont alignées côte à côte de
telle sorte que la face concave 15 de la première pale 10 est, sur
sensiblement toute sa surface, en regard de la face convexe 24 de la
deuxième pale 20. Il est ainsi défini un espace 40 entre la première pale
10 et la deuxième pale 20. La face concave 15 est donc appelée face
interne 15 de la première pale 10, et la face convexe 24 est donc appelée
face interne 24 de la deuxième pale 20. La face convexe 14 de la première
pale 10 et la face concave 25 de la deuxième pale 20 constituent les faces
externes de l'aube 100. La face convexe 14 est donc appelée face externe
14 de la première pale 10, et la face concave 25 est donc appelée face
externe 25 de la deuxième pale 20. L'aube 100 est appelée aube avec
pales dédoublées.
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La face interne 15 de la première pale 10 et la face interne 24 de la
deuxième pale 20 sont reliées entre elles par une ou plusieurs lames 30,
disposées dans l'espace 40. Chaque lame possède un bord d'attaque 32,
un bord de fuite 33, et entre les deux une partie centrale avec une face
radialement inférieure 38 (c'est-à-dire orientée vers la plateforme 80) et
une face radialement supérieure 39 (c'est-à-dire orientée vers le carter
90).
Chaque lame 30 est un élément de liaison continu qui relie ces deux
faces internes, cet élément de liaison formant à la fois un renfort qui
participe à la cohésion et à la résistance mécanique de l'aube 100, et un
guide, le long de sa face radialement inférieure 38, et de sa face
radialement supérieure 39, pour l'écoulement de l'air entre la première
pale 10 et la deuxième pale 20. Chaque lame 30 peut avoir son intérieur
creux, ou plein.
Les lames 30 s'étendent sensiblement depuis le bord d'attaque 12 de
la première pale 10 et le bord d'attaque 22 de la deuxième pale 20
jusqu'au bord de fuite 13 de la première pale 10 et au bord de fuite 23 de
la deuxième pale 20. Le bord d'attaque 102 de l'aube 100 est ainsi
constitué par les bords d'attaque 12 et 22 de la première pale 10 et de la
deuxième pale 20, respectivement. Le bord de fuite 103 de l'aube 100 est
constitué par les bords de fuite 13 et 23 de la première pale 10 et de la
deuxième pale 20, respectivement. Les lames 30 sont orientées selon la
direction du bord d'attaque 102 vers le bord de fuite 103, sensiblement
perpendiculairement au bord d'attaque 102 et au bord de fuite 103.
L'aube 100, puisqu'elle comprend deux pales, possède une résistance
mécanique accrue comparée à une aube monopale. Cette résistance
mécanique accrue autorise une réduction de l'épaisseur moyenne de
chacune des pales constituant l'aube 100, c'est-à-dire que la première pale
10 et la deuxième pale 20 ont chacune une épaisseur moindre que celle
d'une aube monopale. Le poids total de l'aube 100 peut même être
sensiblement égal au poids d'une aube monopale 1. De plus, comme
expliqué plus haut, l'aube 100 a un meilleur rendement aérodynamique
qu'une aube monopale, grâce aux lames 30. Sur une roue aubagée
comportant des aubes 100 selon l'invention, cette amélioration du
rendement aérodynamique autorise un espacement plus grand des aubes
100 entre elles le long de la circonférence de la plateforme 80 de la roue
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aubagée par rapport à l'espacement entre des aubes monopale sur une
roue aubagée de l'art antérieur. Au total, une roue aubagée selon
l'invention peut donc être de poids égal ou inférieur à une roue aubagée
munie d'aubes monopale. Il en résulte une diminution du poids d'une
5 turbomachine munie de roues aubagées selon l'invention, donc de sa
consommation en carburant.
De plus, l'aube 100 selon l'invention possède une meilleure tenue à
la température qu'une aube monopale, puisque l'aube 100 possède plus
de surface d'échange thermique qu'une aube monopale.
L'aube 100 peut comporter plusieurs lames 30. Par exemple, l'aube
peut comporter au minimum trois lames, avec une première lame 30A
située entre 0% et 30% de la hauteur de l'aube 100, une dernière lame
30N située entre 70% et 100% de la hauteur de l'aube 100, et une lame
située sensiblement au milieu de la hauteur de l'aube 100, une hauteur de
0% correspondant à l'extrémité radialement interne de l'aube, et une
hauteur de 100% correspondant à l'extrémité radialement externe de
l'aube. Les lames supplémentaires, le cas échéant, sont situées à
intervalles réguliers entre ces lames.
Il est important que la première lame 30A ne soit pas trop éloignée
de la plateforme 80 (en l'espèce à moins de 30% de la hauteur de l'aube
100) afin de pouvoir plus efficacement diminuer les turbulences générées
par la surface radialement extérieure 81 de la plateforme 80 dans
l'écoulement. De même, il est important que la dernière lame 30N ne soit
pas trop éloignée du carter 90 (en l'espèce à plus de 70% de la hauteur
de l'aube 100) afin de pouvoir plus efficacement diminuer les turbulences
générées par la surface radialement intérieure 91 du carter 90 dans
l'écoulement.
L'aube 100 peut comporter un nombre de lames supérieur à trois,
par exemple 4, 5, 6, 7, ou plus, réparties sur toute sa hauteur. Les figures
2 à 5 représentent une aube 100 comportant cinq lames 30. Pour
permettre un débit d'air suffisant entre la première pale 10 et la deuxième
pale 20, et pour minimiser le poids de l'aube 100, il est cependant
préférable que les lames ne soient pas en nombre trop important. Ainsi, il
est préférable que la distance radiale entre deux lames 30 adjacentes soit
supérieure à la distance D entre la face interne 15 de la première pale 10
et la face interne 24 de la deuxième pale 20.
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La distance D entre la face interne 15 de la première pale 10 et la
face interne 24 de la deuxième pale 20 est au plus égale à trois fois
l'épaisseur maximale de la première ou deuxième pale. Par exemple, la
distance D est de l'ordre de grandeur de cette épaisseur maximale.
De préférence la distance D entre la première pale 10 et la deuxième
pale 20 est inférieure à 15 mm. Par exemple la distance D est comprise
entre 2 et 5 mm. Cette distance D peut varier le long de la lame 30 entre
son bord d'attaque 32 et son bord de fuite 33, dans ce cas la distance D
est la distance moyenne entre les deux pales.
Avantageusement, dans une roue aubagée comportant des aubes
100, chacune des lames 30 possède un profil tel que les
turbulences/tourbillons de l'écoulement de l'air le long de cette lame 30
sont minimisées. Par exemple, les lames 30 suivent sensiblement les
lignes de flux de l'écoulement d'air dans l'espace 40 entre la première pale
10 et la deuxième pale 20 tel qu'il aurait lieu si ces lames 30 n'étaient pas
présentes, afin de perturber au minimum cet écoulement d'air.
Notamment, le profil et la disposition de la première lame 30A, qui
est la plus proche de la paroi (surface radialement extérieure 81) de la
plateforme 80, et le profil et la disposition de la dernière lame 30N, qui est
la plus proche de la paroi (surface radialement intérieure 91) du carter 90,
ont une importance particulière.
En effet, les lignes de flux de l'écoulement entre les pales sont
notamment définies par la paroi 81 de la plateforme 80 et la paroi 91 du
carter 90 aux extrémités respectivement radialement interne et externe de
l'aube, c'est-à-dire que les lignes de flux à proximité de ces parois sont
sensiblement parallèles à ces parois. Ainsi, la première lame 30A est
sensiblement parallèle à la paroi 81 de la plateforme 80, et la dernière
lame 30N est sensiblement parallèle à la paroi 91 du carter 90, comme
représenté sur les figures 4 et 5.
Par exemple, au moins une des lames 30 est rectiligne.
Par exemple, au moins une des lames 30 possède au moins une
courbure dans un plan s'étendant selon la hauteur de ladite aube (c'est-à-
dire un plan radial contenant l'axe principal P de la turbomachine).
Il est possible également que les lames 30 ne suivent pas
l'écoulement d'air dans l'espace 40 tel qu'il aurait lieu si ces lames 30
n'étaient pas présentes, et au contraire que ces lames forcent l'air à
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s'écouler davantage vers le pied de l'aube 100. En effet, il est connu qu'il
se produit en général une divergence de l'écoulement d'air entre deux
aubes (c'est-à-dire que le flux d'air circulant entre deux aubes adjacentes
a tendance à monter du pied vers la tête de l'aube lorsqu'il longe ces
aubes) qui est indésirable. En forçant le flux d'air dans l'espace 40 à
s'écouler davantage vers le pied de l'aube 100, on influence l'écoulement
d'air entre deux aubes 100 adjacentes, et on contribue ainsi à réduire
aussi la divergence de cet écoulement d'air.
Sur les figures 2 et 4, chacune des lames 30 est représentée avec
une épaisseur constante entre son bord d'attaque 32 et son bord de fuite
33 (l'épaisseur d'une lame 30 étant sa dimension selon la hauteur de
l'aube 100 à laquelle elle appartient). En conséquence, les bords d'attaque
32 et les bords de fuite 33 des lames 30 sont sensiblement rectangulaires.
Alternativement, l'épaisseur d'une lame 30 peut diminuer depuis son
milieu vers son bord d'attaque 32 de telle sorte que ce bord d'attaque 32
forme une arête. De plus, ou alternativement, l'épaisseur d'une lame 30
peut diminuer depuis son milieu vers son bord de fuite 33 de telle sorte
que ce bord de fuite 33 forme une arête. De la sorte, les perturbations de
l'écoulement d'air dans l'espace 40 entre la première pale 10 et la
deuxième pale 20 sont diminuées par rapport à une lame d'épaisseur
constante.
Cette diminution d'épaisseur de la lame 30 peut être progressive, ou
l'épaisseur peut être sensiblement constante le long de la lame 30, et ne
diminuer qu'au voisinage des extrémités (bord d'attaque 32 et/ou bord de
fuite 33), comme représenté sur la figure 5.
Le profil de la face interne/externe d'une aube ou d'une pale est
défini comme la géométrie de la surface de cette face. Par exemple les
profils de la face interne 15 de la première pale et de la face interne 24 de
la deuxième pale sont identiques, et les profils de la face externe 14 de la
première pale et de la face externe 25 de la deuxième pale sont
identiques. Cependant, la géométrie différente de l'aube 100 selon
l'invention par rapport à une aube monopale entraîne une modification des
caractéristiques aérodynamiques de l'aube 100. Avantageusement, la face
externe 14 de la première pale 10, la face interne 15 de la première pale
10, la face interne 24 de la deuxième pale 20, et la face externe 25 de la
deuxième pale 20, ont toutes des profils différents, de telle sorte que
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l'écoulement de l'air dans l'espace 40 entre la première pale 10 et la
deuxième pale 20 et autour de l'aube 100 est optimisé. De plus, le profil
de la face externe 14 de la première pale 10 est différent du profil de la
face convexe 4 d'une aube monopale, et le profil de la face externe 25 de
la deuxième pale 20 est différent du profil de la face concave 5 d'une aube
monopale de l'art antérieur. En particulier, les profils des faces interne et
externe de la première pale 10 et les profils des faces interne et externe
de la deuxième pale 20 sont différents respectivement des profils des
faces interne et externe d'une première pale et des profils des faces
interne et externe d'une deuxième pale qui seraient placées à proximité
l'une de l'autre sans lames 30 les reliant entre elles.
Les lames 30 s'étendent depuis le bord d'attaque 102 jusqu'au bord
de fuite 103 de l'aube 100, comme représenté sur la figure 5.
Alternativement, les lames 30 peuvent commencer à une certaine distance
du bord d'attaque 102, en s'étendant jusqu'au bord de fuite 103, comme
représenté sur la figure 4. Ainsi, le bord d'attaque 32 des lames 30
commence en retrait d'une distance d par rapport au bord d'attaque 102
de l'aube 100. Cette distance d est par exemple inférieure à 10% de la
distance entre le bord d'attaque 102 et le bord de fuite 103.
Le plan ou la surface contenant une lame 30 est sensiblement
perpendiculaire aux faces internes 15, 24 des pales que cette lame 30
joint. Alternativement, une lame 30 peut être en torsion autour de la
courbe médiane qui joint le bord d'attaque 32 de la lame à son bord de
fuite 33. Cette torsion est destinée à faire en sorte que lames 30 suivent
sensiblement les lignes de flux de l'écoulement d'air dans l'espace 40
entre la première pale 10 et la deuxième pale 20 tel qu'il aurait lieu si ces
lames 30 n'étaient pas présentes, afin de perturber au minimum cet
écoulement d'air.
L'aube peut être réalisée en divers matériaux : acier, superalliage à
base nickel ou cobalt, alliage de titane, alliage d'aluminium, matériau
composite avec une matrice, par exemple une matrice polymère,
céramique, ou métallique, renforcée par des fibres, par exemple des fibres
de carbone, de kevlar, de verre, ou de métal.
L'aube 100 selon l'invention peut être fabriquée en utilisant divers
procédés, selon le matériau constituant l'aube 100.
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Dans la description ci-dessus, l'aube 100 comprend deux pales.
Alternativement, l'aube 100 peut comporter plus de deux pales. Par
exemple, l'aube 100 peut comporter en outre une troisième pale située
entre la première pale 10 et la deuxième pale 20, la troisième pale
possédant une première face et une seconde face qui s'étendent entre le
bord d'attaque 102 et le bord de fuite 103 de l'aube 100, la première face
étant reliée à la face interne 15 de la première pale 10 par au moins une
lame 30 et la seconde face étant reliée à la face interne 24 de la deuxième
pale 20 par au moins cette lame 30.
Ainsi, l'aube 100 comprend trois pales, la troisième pale se situant
entre la première pale 10 et la deuxième pale 20. Ces trois pales sont
alignées côte à côte de telle sorte que la face concave 15 de la première
pale 10 est, sur sensiblement toute sa surface, en regard de la face
convexe (première face) de la troisième pale, et que la face convexe 24 de
la deuxième pale 20 est, sur sensiblement toute sa surface, en regard de
la face concave de la troisième pale. Les lames 30 reliant la première pale
10 à la deuxième pale 20 traversent la troisième pale (ou se fondent avec
cette troisième pale à leur intersection avec cette troisième pale, selon le
mode de fabrication de l'aube). On peut également considérer que chaque
lame 30 est en deux parties, une première partie reliant la première pale
10 et la troisième pale, et, dans le prolongement de cette première partie,
une seconde partie reliant la troisième pale et la deuxième pale 20.
Cette aube 100 à trois pales est, d'un point de vue aérodynamique,
plus efficace qu'une aube 100 à deux pales, car l'écoulement d'air entre
ces pales et le long de l'extérieur de cette aube est mieux guidé. En
conséquence, il est possible de diminuer le nombre total d'aubes 100 sur
une roue aubagée en les espaçant davantage, jusqu'à obtenir une roue
aubagée plus légère qu'une roue aubagée avec des aubes monopale.
L'invention s'applique au cas d'une turbomachine comportant au
moins une aube 100 selon l'invention.
L'invention a été décrite dans le cas d'aubes fixes ou mobiles de
turbine BP non-refroidies. L'invention s'applique également à des aubes de
turbine haute pression (HP) non-refroidies, fixes ou mobiles.
