Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02912924 2015-11-18
WO 2014/195634
PCT/FR2014/051324
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PREFORME D'AUBE DE TURBOMACHINE
L'invention concerne une préforme d'aube de turbomachine, telle
qu'en particulier une préforme d'aube de turbine dans une turbomachine,
ainsi qu'un moule et un procédé pour l'obtention de la préforme d'aube.
Dans la technique actuelle, les aubes de turbine sont des pièces
monoblocs obtenues de fonderie au moyen d'un moule comprenant une
cavité dont la forme tridimensionnelle permet d'obtenir par complémentarité
la forme souhaitée. En pratique, la pièce obtenue après l'étape de moulage
consiste en une préforme d'aube qu'il est nécessaire d'usiner pour lui
donner les formes et dimensions finales souhaitées.
Ainsi, une préforme d'aube de turbine comprend une échasse reliant
un pied d'aube à une plate-forme. La préforme d'aube comporte également
deux voiles amont et aval transverses formés aux extrémités amont et aval
de l'échasse et raccordant les bords amont et aval de la plate-forme aux
extrémités amont et aval du pied d'aube, respectivement. On notera que
les termes amont et aval sont à considérer par rapport à une
direction générale d'écoulement d'un fluide d'amont vers l'aval autour de
l'aube lorsque celle-ci est montée dans une turbomachine.
Vue dans une direction amont/aval, chaque voile de l'aube
comprend des bords latéraux raccordés aux flancs du pied d'aube par
l'intermédiaire de parois incurvées concaves s'étendant l'une vers l'autre et
formant une zone d'étranglement dont la largeur mesurée dans une
direction transverse est inférieure à celle du pied d'aube.
La présence d'une zone d'étranglement à la jonction entre chaque
voile et le pied d'aube permet de limiter le temps nécessaire à l'usinage
final du pied d'aube. Pour obtenir ces zones d'étranglement précitées, le
moule doit également comprendre des zones d'étranglement
correspondantes.
Toutefois, lors de l'écoulement de la matière liquide dans le moule,
les zones d'étranglement du moule ralentissent l'écoulement de matière à
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ces endroits, ce qui peut conduire à des fins de solidification et des
reprises
de grain entrainant une mauvaise solidification de la matière et la formation
de défauts mécaniques, tels que des criques, dans les zones de
raccordement des voiles latéraux au pied de la préforme d'aube.
La présente invention apporte une solution simple, efficace et
économique à ces problèmes.
A cette fin, elle propose une préforme d'aube de turbomachine, la
préforme comprenant une échasse reliant une plate-forme à une partie de
pied d'aube s'étendant longitudinalement suivant une direction amont/aval ,
deux voiles amont et aval s'étendant suivant une direction sensiblement
perpendiculaire à la direction longitudinale du pied d'aube et étant formés
aux extrémités amont et aval de l'échasse, ces voiles amont et aval reliant
les extrémités amont et aval de la plate-forme aux extrémités amont et aval
du pied d'aube, caractérisé en ce que le pied d'aube s'étend suivant une
direction perpendiculaire à la direction longitudinale du pied d'aube sur une
distance inférieure à celle des voiles amont et aval et en ce que les bords
latéraux de chaque voile se prolongent par des parois convergeant l'une
vers l'autre jusqu'aux flancs du pied d'aube.
La formation de bords latéraux convergeant l'un vers l'autre au
niveau des zones de raccordement de chaque voile au pied d'aube permet
d'obtenir en fonderie lors du coulage de la matière dans un moule adéquat
des qualités métallurgiques optimales au niveau de ces zones de
raccordement puisque l'écoulement de matière dans le moule se fait sans
présence d'une zone d'étranglement comme dans la technique antérieure.
Ainsi, le taux de rebut des préformes d'aubes obtenues par moulage
est fortement diminué, ce qui réduit les coûts de fabrication des aubes.
Préférentiellement, lesdites parois convergentes sont formées par
des faces planes inclinées par rapport à un plan médian du pied d'aube
s'étendant longitudinalement suivant une direction amont/aval.
Selon une réalisation particulière de l'invention, les faces précitées
sont inclinées d'un angle d'environ 45 par rapport au plan médian.
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L'invention concerne également un moule pour la fabrication d'une
préforme d'aube de fonderie tel que décrit ci-dessus, comprenant une
cavité interne dont la forme tridimensionnelle détermine par
complémentarité la forme tridimensionnelle de la préforme d'aube, le moule
comprenant au moins deux premiers et deux seconds blocs agencés deux
à deux en vis-à-vis selon des axes perpendiculaires, les deux premiers
blocs empreinte comprenant chacun une empreinte comportant un bossage
destiné à délimiter la surface interne d'une plate-forme de la préforme
d'aube et définissant avec des empreintes des seconds blocs empreintes
des espaces destinés à former des voiles latéraux amont et aval de
raccordement de bords amont et aval d'une plate-forme de la préforme
d'aube aux extrémités amont et aval d'un pied d'aube, les premiers bloc
empreinte comprenant également des faces en vis-à-vis sensiblement
parallèles destinées à former des flancs d'une partie du pied de la préforme
d'aube, caractérisé en ce que l'empreinte de chaque premier bloc
comprend des première et seconde surfaces de part et d'autre du bossage
raccordées à la face formant un flanc du pied d'aube, les premières et les
secondes surfaces des premiers blocs empreintes convergeant l'une vers
l'autre en direction des faces des flancs du pied d'aube.
Selon l'invention, l'intégration de premières et secondes surfaces
convergentes évite la formation d'une zone d'étranglement dans les zones
de raccordement des voiles latéraux au pied d'aube, ce qui limite la
formation de défauts en ces endroits.
L'invention concerne encore un procédé de fabrication d'une aube
de turbine au moyen du moule décrit ci-dessus, consistant à:
a. positionner le moule de sorte que les premiers et seconds
blocs empreintes soient agencées en position supérieure par
rapport à une partie inférieure du moule ;
b. introduire progressivement une matière liquide dans la partie
inférieure du moule de manière à ce que le niveau de liquide
augmente progressivement à l'intérieur du moule et forme par
Date Reçue/Date Received 2021-02-02
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complémentarité de forme une préforme d'aube; puis à
c. réaliser un usinage de finition de la préforme d'aube aux
dimensions finales souhaitées de l'aube.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails
et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la
description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence
aux
dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'une préforme d'aube de
turbomachine selon la technique antérieure ;
- la figure 2 est une vue depuis l'amont de la zone délimitée en pointillée
sur la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue schématique en perspective d'une préforme
d'aube de turbomachine selon l'invention ;
- les figures 4 à 6 sont des représentations schématiques en
perspectives de plusieurs blocs empreintes d'un outillage pour la
réalisation d'une préforme selon l'invention ;
- la figure 7 est une vue depuis l'amont représentant simultanément et en
superposition une préforme d'aube de turbine selon l'invention et une
aube de turbomachine obtenu après usinage de la préforme ;
- la figure 8 est une vue schématique en perspective représentant
simultanément et en superposition une préforme d'aube de turbine
selon l'invention et une aube de turbomachine obtenu après usinage de
la préforme.
On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une préforme
d'aube 10 de turbomachine monobloc selon l'art antérieur obtenue par
moulage dans un moule et comprenant selon un axe 12 une partie de pied
d'aube 14 s'étendant longitudinalement suivant une direction amont/aval et
ayant en section transverse une forme sensiblement rectangulaire , une
plate-forme 16, une pale 18 et un talon d'aube 20. Vue depuis l'amont ou
l'aval, le contour du pied forme un U, les branches du U étant sensiblement
parallèles et étant formées par les flancs 42 du pied d'aube. L'aube
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représentée en figure 1 représente plus particulièrement une aube montée
dans une turbine de la turbomachine.
Le moule 22 comprend une cavité interne 24 dont la forme
tridimensionnelle est déterminée de manière à ce qu'en remplissant le
5 moule de matière liquide on obtienne la forme tridimensionnelle souhaitée
de la préforme d'aube 10. En pratique, la matière liquide est injectée dans
le moule 22 depuis une partie inférieure 23 du moule 12 correspondant à
celle permettant d'obtenir le talon 20 de l'aube. La matière liquide remplit
progressivement le moule (flèche A) jusqu'à une partie supérieure 25 du
moule correspondant à celle permettant d'obtenir une partie de pied d'aube
14. Ainsi, sur la figure 1, et pour une habitude de représentation de l'aube,
le moule 22 est représenté en position inversée par rapport à sa position
d'utilisation.
La figure 2 représente la partie délimitée en pointillée sur la figure 1,
c'est-à-dire la partie interne de la préforme d'aube comportant deux voiles
amont 26 et aval 28 s'étendant suivant une direction sensiblement
perpendiculaire à la direction longitudinale du pied d'aube 14, les deux
voiles amont 26 et aval 28 reliant la partie de pied d'aube 14 à la
plate-forme 16 (seul le voile amont 26 est représenté en figure 2, le voile
aval 28 étant visible sur la figure 3 représentant l'invention). Sur la figure
2
sont également représentés de manière schématique deux blocs
empreintes 30, 32 du moule 22, agencées en vis-à-vis et comprenant
chacun une partie en saillie 34 l'une vers l'autre, ces parties 34 comprenant
des surfaces incurvées convexes 36 permettant de former par
complémentarité de forme des parois incurvées concaves 38 raccordant les
bords latéraux 40 des voiles 26, 28 à la partie de pied d'aube 14.
Comme expliqué précédemment, ce type de préforme d'aube peut
présenter des défauts mécaniques tels que des criques, au niveau des
zones de raccordement 38 des voiles 26, 28 aux flancs 42 de la partie de
pied 14 de la préforme d'aube 10 du fait de la présence d'une zone
d'étranglement dans le moule entre les deux parties 34 ralentissant
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l'écoulement de matière (flèche A).
L'invention propose ainsi de modifier les zones de raccordement des
bords latéraux des voiles 26, 28 aux flancs 42 du pied d'aube en
prolongeant les bords latéraux 40 des voiles par des parois 44 convergeant
l'une vers l'autre jusqu'aux flancs 42 du pied d'aube 14 comme représenté
en figure 3. Le pied d'aube 14 s'étend ainsi suivant une direction
sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale amont/aval du
pied d'aube sur une distance inférieure à celle des voiles amont 26 et aval
28.Au contraire de l'art antérieur, la préforme d'aube 46 ne comprend plus
de zone d'étranglement, ce qui réduit fortement les risques de formation de
défauts à la jonction des voiles 26,28 avec la partie de pied d'aube 14.
Dans la réalisation représentée en figure 3, les parois 44 sont
formées par des surfaces planes inclinées d'un angle d'environ 45 par
rapport à un plan médian du pied d'aube s'étendant d'amont en aval, c'est-
à-dire un plan s'étendant longitudinalement et passant par le milieu du pied
d'aube 14.
Dans d'autres réalisations non représentées, les parois peuvent être
incurvées concaves ou convexes tout en convergeant vers les flancs du
pied d'aube.
On se réfère maintenant aux figures 4 à 6 représentant une partie
d'un moule 48 selon l'invention permettant de former les zones de
raccordement à faces convergentes comme décrit en référence à la figure
3.
Ce moule comprend deux premiers 50A, 52A et deux seconds 54A,
56A blocs empreintes agencés deux à deux en vis selon des axes
perpendiculaires 58, 60 (figure 4). Chaque bloc empreinte 50A, 52A, 54A,
56A comprend une empreinte 50B, 52B, 54B, 56B délimitant après
assemblage des blocs empreintes 50A, 52A, 54A, 56A une cavité destinée
à former par complémentarité une partie de la préforme de d'aube de 46 de
turbine.
En particulier, l'empreinte 50B du bloc 50A comprend un bossage
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50C dont une surface externe 50D est agencée avec jeu en vis-à-vis d'une
surface externe 52D d'un bossage 52C correspondant de l'empreinte 52B
du bloc 52A de manière à former l'échasse de la préforme d'aube 46.
Chaque surface externe 50D, 52D d'un bossage 50C, 52C est reliée au
reste de l'empreinte 50B, 52B par un pourtour dont une surface supérieure
50E est destinée à délimiter une face interne de la plate-forme 16, deux
surfaces latérales 50F sont destinées à former avec les empreintes 54B,
56B des seconds blocs empreintes 54A, 56A les voiles latéraux amont 26
et aval 28 de la préforme d'aube 46.
Le bossage 50C, 52C de chaque empreinte 50B, 52B d'un premier
bloc s'étend en saillie depuis une surface 50G destinée à former les bords
latéraux de la plate-forme 16 ainsi que les bords latéraux 40 des voiles
amont 26 et aval 28 de la plate-forme 16. Cette surface 50G est reliée à
une première 50H et une seconde 501 surfaces s'étendant de part et
d'autre du bossage 50D et destinée à former les zones de raccordement
selon l'invention au pied d'aube 14. Pour cela, les premières surfaces 50H,
52H des empreintes 50B, 52B convergent l'une vers l'autre dans un sens
orienté de la pale 18 vers le pied d'aube 14. De même, les secondes
surfaces 501, 521 convergent l'une vers l'autre dans un sens orientée de la
pale vers le pied d'aube. La première surface 50H, 52H et la seconde
surface 501, 52H de chaque bloc empreinte 50A, 52A sont reliées à une
même surface 50J, 52J destinée à former un flanc 42 d'une partie du pied
d'aube 14. Ces surfaces des premiers blocs empreintes 50A, 52A formant
les flancs précités sont sensiblement parallèles.
La formation sur les blocs empreintes de premières et secondes
faces convergentes et débouchant sur des faces parallèles 50J, 52J permet
de faciliter l'écoulement de matière liquide dans le moule (flèche A).
Notons que les seconds blocs empreintes 54A, 56A comprennent
chacun une fente 54C destinée à former un becquet 62 s'étendant depuis
un voile latéral 26, 28 de la préforme d'aube 46 et à l'opposé de la
plate-forme 16 par rapport au voile.
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Après moulage de la préforme 46 au moyen du moule décrit ci-
dessus, on effectue une opération d'usinage de la préforme de manière à
obtenir une aube de turbine 64 aux dimensions souhaitées. En particulier,
on réalise un usinage de la partie du pied d'aube et des zones de
raccordement des voiles latéraux à la partie du pied d'aube de manière à
réaliser un pied d'aube en queue d'aronde 66 apte à être engagé
axialement et retenu radialennent dans un alvéole d'un disque de turbine
d'une manière bien connue. L'étape d'usinage consiste également à usiner
les bords latéraux de la plate-forme.
