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WO 2010/007322 1 PCT/FR2009/051415
PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE D'AUBAGE
La présente invention porte sur la fabrication des aubages
métalliques de turbomachines, plus particulièrement de pièces présentant
des cavités internes et des trous ou orifices faisant communiquer ces
cavités avec l'extérieur des aubages.
De tels aubages sont en général fabriqués par coulée de pièces
d'aubage individuelles constituant chacune un secteur d'aubage, selon
une technique de fonderie à cire perdue, bien connue en soi. Cette
technique 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 en céramique 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.
Dans un étage de distributeurs à basse pression de turbomachine,
une partie des aubes ou pales comporte une cavité interne et une série
de trous faisant communiquer cette cavité avec l'extérieur de l'aube.
Cette cavité et cette série de trous permettent la mise en place de sondes
de détection de température, désignées sondes EGT - 'Exhaust Gaz
Temperature'. A titre d'exemple, pour un distributeur basse pression
d'une turbomachine type de l'état de l'art, comprenant 18 secteurs ou
segments d'aubage, une aube de chaque secteur comprenant 8 aubes
est pourvue d'une cavité interne et d'une série de trous.
Les sondes de températures dans cette zone particulière de la
turbomachine servent à la surveillance du bon fonctionnement et de
l'usure du moteur.
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Selon la technique actuelle, la cavité de ces aubages devant
recevoir une sonde de température est réalisée par la mise en place de
noyaux munis de tenons supérieurs et inférieurs, formant, lors de la
coulée du métal, des orifices dans la plate forme extérieure et dans la
plateforme intérieure de la pièce ; l'orifice de la plateforme extérieure est
destiné à recevoir ou être en communication avec la sonde de
température, tandis que l'orifice de la plateforme intérieure ne sert qu'au
maintien en place du noyau lors de la coulée du métal, et nécessite donc
la mise en place d'une plaquette d'obturation, brasée lors de la finition du
secteur d'aubage.
Les trous de communication entre la cavité de la pale de l'aube
recevant la sonde et l'extérieur de l'aubage sont réalisés par perçage /
usinage (notamment par usinage par électroérosion ou usinage EDM)
après coulée de la pièce.
Cette manière de procéder implique donc une opération
additionnelle, qui de surcroît engendre une zone brûlée autour du trou
ayant des propriétés mécaniques inadéquates.
La présente invention a pour objectif de fournir un procédé de
fabrication de pièces d'aubage métalliques évitant ces inconvénients.
L'invention propose à cet effet un procédé de fabrication d'un
secteur d'aubage métallique pour distributeur basse pression de
turbomachine dont une aube au moins comprend une cavité interne
destinée à recevoir ou communiquer avec une sonde de détection des
gaz et au moins un trou, ménagé dans la paroi, constituant un passage
de gaz de la zone base pression de la turbomachine vers ladite cavité et
la sonde par la mise en place, dans un moule de coulée, d'un noyau
correspondant à ladite cavité et coulée d'un métal fondu dans la cavité
dudit moule de coulée. Ce procédé est caractérisé par le fait que ledit
noyau comprend, pour chaque trou de communication de ladite cavité,
une protubérance pénétrant dans la surface interne du moule et
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constituant le seul élément de maintien du noyau dans le moule de
coulée.
Selon l'invention cette sonde de détection constitue, de manière
préférée, une sonde de détection de température, plus particulièrement
une sonde de détection de température de type EGT.
Conformément à un autre aspect préféré de l'invention, le procédé
opère plus particulièrement selon une technique de fonderie à cire
perdue, en produisant un moule carapace dans lequel le noyau est mis
en place, le moule carapace constituant le moule de coulée.
Selon encore une particularité préférée de l'invention, la base des
protubérances du noyau de coulée comprend un `rayonnage' ou arrondi,
réalisant un rayonnage à la base du trou de coulée, permettant ainsi
d'éviter la formation de criques ou autres micro fissures non détectables
lors de contrôles à la fabrication, lors de la coulée.
Selon encore un autre aspect préféré de l'invention, le noyau de
coulée comprend plusieurs protubérances (par exemple entre 3 et 8
protubérances, de préférence 5) constituant les seuls éléments de
maintien du noyau dans le moule de coulée, tandis qu'un orifice destiné à
l'introduction d'une sonde dans la cavité dans au moins une aube de la
pièce d'aubage est obtenu par perçage de ladite pièce en prolongement
de la cavité.
On obtient de cette manière une pièce d'aubage avec une aube
ayant une cavité et plusieurs trous (par exemple entre 3 et 8 trous, de
préférence 5).
Selon un mode de réalisation particulièrement intéressant de ce
dernier aspect préféré de l'invention, il est possible de produire un seul
modèle de pièces d'aubage / secteurs d'aubage pour l'ensemble du
distributeur, tandis que seuls les secteurs d'aubage destinés à recevoir
une sonde sont percés en prolongement de la cavité. Cela permet de
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réaliser des économies importantes du point de vue du procédé de
production et de la gestion des stocks.
Le nouveau procédé selon l'invention présente les avantages
suivants par rapport au procédé selon la technique existante :
- une économie résultant de la suppression de l'opération de
perçage par électroérosion des trous (cinq) dans l'aubage à cavité interne
et une économie résultant de la suppression de rebuts associés à cette
opération délicate;
- la suppression de l'opération de brasage d'une plaquette
d'obturation sur le trou de sortie inférieure du noyau actuel.
D'autres détails et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la
lecture de la description de deux modes de réalisation de secteurs
d'aubages pour distributeur basse pression d'une turbomachine, donnés
à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans
lesquels :
- la figure 1 représente un secteur d'aubage type pour distributeur
basse pression d'une turbomachine;
- les figures 2a et 2b représentent, schématiquement, deux étapes
de fabrication d'un secteur d'aubage selon la technique actuelle;
- la figure 3 représente un noyau de coulée tel qu'utilisé
actuellement avant l'invention;
- les figures 4a et 4b représentent, schématiquement, la fabrication
d'un secteur d'aubage selon l'invention;
- la figure 5 représente un noyau de coulée selon l'invention;
-la figure 6 montre, en agrandissement, la base rayonnée de l'une
des protubérances du noyau selon la figure 5;
- la figure 7 représente la coupe d'une pale ou aube à cavité et
trou, selon l'invention, montrant la forme rayonnée du trou.
Les figures illustrent la fabrication d'un secteur d'aubage 1 pour
distributeur basse pression d'une turbomachine, tel que représenté à la
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figure 1. Le secteur 1 est composé d'aubes 4, six sur la figure 1,
disposées radialement entre une plateforme intérieure 8 et une
plateforme radialement extérieure 7. Les deux plateformes délimitent la
veine de gaz dans laquelle les pales des aubes assurent le guidage du
flux gazeux. Les secteurs une fois assemblés forment une roue de
distributeurs. Le secteur représenté est un secteur des étages à basse
pression de la turbomachine. Les pales sont pleines à l'exception ici
d'une pale dont la fonction est de permettre le prélèvement de gaz pour
assurer la mesure de leur température. Il s'agit de la mesure dite EGT. La
pale de la première aube sur ce secteur est percée d'orifices (9) mettant
la veine de gaz en communication avec sa cavité interne.
Comme l'illustre la figure 2a représentant schématiquement un
modèle de fonderie d'un secteur d'aubage, le modèle de l'une des pales
est pourvu d'un noyau 2. Le noyau de coulée 2, selon la technologie
actuelle (en général en céramique), forme la cavité 3 dans le modèle de
la pale 4 du secteur d'aubage 1. Après coulée comme le représente la
figure 2b, on obtient deux orifices 5 et 6 dans, respectivement, les
plateformes, supérieure 7 et inférieure 8, du secteur d'aubage 1, tandis
que les trous 9 dans la paroi de l'aube faisant communiquer la cavité 3
avec l'extérieur de l'aube 4, d'une dimension d'approximativement 2,2
mm, doivent être percés après la coulée du métal, par usinage EDM
(électroérosion).
L'orifice supérieur 5 permet le placement d'une sonde EGT
assurant la prise de température pour l'alarme cockpit, tandis que l'orifice
inférieur 6 doit être rebouché par le brasage d'une plaquette 8'.
Le noyau 2 selon la technique actuelle nécessite, de par sa
longueur, une sortie inférieure pour le maintenir dans le moule carapace.
Cela implique comme inconvénients que l'orifice 6 ainsi généré doit être
rebouché et que le noyau 2 comporte une protubérance fragile 2',
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représentée sur la figure 3, en raison du peu de place disponible pour la
sortie noyau au niveau de la plate forme intérieure 8.
Le but de l'invention est donc de limiter la casse de noyaux au
niveau des protubérances, de ne plus avoir à reboucher l'orifice 6 et de
supprimer l'opération de perçage des trous 9 après la coulée de la pièce.
Comme l'illustrent les figures 4a et 4b, dans le procédé selon
l'invention on se sert des trous à former dans la paroi de la pale pour
maintenir en place un noyau 20, par l'intermédiaire de protubérances 22
sur le noyau 20 en céramique. Le noyau selon l'invention 20 est
représenté sur la figure 5. Il comprend une partie tubulaire 21 dont la
forme correspond à celle de la cavité à obtenir dans la pale. Un tenon 23
forme l'ouverture dans la plate forme supérieure. Réparties le long de
cette partie tubulaire 21, des protubérances 22 en forme de tiges
s'étendent perpendiculairement à l'axe du noyau. Ces protubérances ont
une section correspondant à celle des orifices que l'on souhaite former
dans la paroi de la pale. Leur nombre est égal à celui des orifices à
ménager. La figure 4a montre la disposition du noyau dans le modèle de
fonderie. Le noyau 20 est maintenu en place par les protubérances 22
traversant la paroi du modèle. La figure 4b montre le schéma d'un
secteur obtenu après fonderie. Les aubes 14 sont disposées entre les
plateformes, intérieure 18 et extérieure 17. Une aube présente une cavité
longitudinale 13 percée d'orifices 19 mettant la veine de gaz en
communication avec la cavité 13. La cavité 13 ne présente pas
d'ouverture dans la plateforme intérieure 18.
Les trous 19 faisant communiquer la cavité 13 avec l'extérieur de
l'aube 4 - appelés trous EGT (Exhaust Gaz Temperature) - sont donc
obtenus en fonderie.
On élimine ainsi la partie fragile du noyau formée par la
protubérance sortant au niveau de la plate forme inférieure, on élimine
par la même occasion la nécessité de reboucher l'orifice ainsi engendré
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et on évite l'opération de perçage des trous EGT, par électroérosion. On
évite l'apparition de zones affectées thermiquement (zone brûlée) autour
des trous pouvant engendrer un moins bon comportement mécanique.
De plus la présence de trous le long de la pale permet d'éliminer plus
simplement le noyau, par attaque chimique, de la pièce en métal en
l'absence de sortie au niveau de la plate forme inférieure.
L'invention consiste donc à utiliser un noyau 20 plus court que le
noyau 2 de l'art antérieur et comprenant des protubérances ou 'picots' 22
par lesquels il est maintenu en place. Ceux-ci sont par exemple en
céramique, mais les picots peuvent aussi être formés de tubes de quartz
intégrés au noyau lors de son injection,
Comme l'illustre plus particulièrement la figure 6 qui est une vue
agrandie du noyau de la figure 5, la base 22' des protubérances 22 du
noyau 20 présente un rayonnage ou arrondi qu'on appelle forme
'rayonnée'.
La forme des trous 19 ainsi obtenus par coulée de métal dans le
moule présente un rayonnage / arrondi correspondant 19', comme illustré
à la figure 7. Cette forme rayonnée 19' du trou 19 permet d'éviter la
formation de criques internes, défauts qui ne sont pratiquement pas
détectables par le contrôle à la fabrication.
Selon une variante de l'invention (non représentée sur les figures)
le noyau 20 peut également être réalisé sans sortie dans la plate forme
supérieure 17 ; dans ce cas le maintien du noyau dans le moule est
obtenu uniquement par les protubérances 22 et il n'y a pas de formation
d'orifice supérieur 15.
Cette variante permet de fabriquer un seul modèle de secteurs
d'aubage de distributeur ; on modifie alors uniquement les exemplaires
de ce secteur unique qui sont destinés à recevoir une sonde, en perçant
un orifice 5' dans la plate forme supérieure 17, en communication avec la
cavité 13.
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On réalise ainsi des économies supplémentaires du point de vue
du procédé de production et de la gestion des stocks.
