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DESCRIPTION
TITRE : Aube de turbine dotée d'une cavité de fragilisation d'une
section frangible
5 Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne les aubes de turbine d'une
turbomachine et, en particulier, un agencement d'échasse d'une aube de
turbine. L'échasse d'une aube est une partie de support de la pale de
l'aube qui s'étend radialement entre une partie d'attache inférieure de
10 l'aube appelée "pied de sapin" et une plateforme de l'aube.
Plus particulièrement, l'invention concerne les aubes de turbine
d'une turbomachine à turbine libre.
L'invention concerne également une turbomachine comprenant
de telles aubes.
15 Etat de la technique antérieur
Classiquement, tel qu'illustré à la figure 1, une turbomachine à
turbine libre comporte un générateur de gaz 1, comprenant au moins un
compresseur qui comporte un ou plusieurs étages de compression 2, une
chambre de combustion 3, et une turbine dans laquelle les gaz chauds
20 sous pression issus de la chambre de combustion se détendent et dans
laquelle l'énergie cinétique et thermique des gaz est transformée en
énergie mécanique pour entraîner en rotation un arbre qui relie la
turbine au compresseur, afin d'entraîner aussi le compresseur. Une
turbine 4, dite turbine libre, qui comporte un ou plusieurs étages de
25 turbine, est disposée en aval de la turbine du générateur de gaz 1, et
découplée mécaniquement de cette dernière. La turbine libre 4 est
entraînée en rotation par les gaz issus du générateur de gaz 1.
Dans les turbomoteurs à turbine libre, utilisés par exemple, mais
non exclusivement, dans les ensembles propulsifs d'hélicoptère, la
30 turbine libre est mécaniquement indépendante du rotor de l'hélicoptère,
un réducteur étant interposé entre la ligne d'arbre et le rotor principal.
En cas de rupture de la ligne de transmission de puissance, par
exemple en cas de rupture de la ligne d'arbre ou de la ligne de
transmission reliée au réducteur, la turbine peut se trouver dans une
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situation de survitesse en raison de la disparition du couple résistif qui
s'applique sur les aubes de la turbine.
Cette situation de survitesse peut être particulièrement
dangereuse, conduire à la rupture d'au moins un disque tournant qui
5
supporte les aubes d'un étage de la turbine,
sous l'effet de la force
centrifuge, et provoquer la libération de débris à très haute énergie qui
ne peuvent être contenus par le blindage prévu sur le moteur.
Il est donc nécessaire de prévoir dans les turbines des systèmes
de protection qui empêchent la survitesse_
10
Il a déjà été proposé, dans l'état de la
technique, des systèmes
de protection contre la survitesse, connus sous le nom de blade-
shedding dans la terminologie anglo-saxone, qui consistent à créer
dans les aubes une zone frangible de sorte qu'elles se rompent à une
vitesse de rotation prédéterminée évitant tout risque de rupture du
15
disque qui serait causée par les efforts
centrifuges. On pourra à cet égard
se référer au document GB 881, 850 qui décrit une turbine destinée à
l'entrainement d'accessoires dans laquelle des perçages sont pratiqués
à la base des pales des aubes.
Ainsi, en cas de risque de survitesse, après rupture des aubes, la
20
turbine, ayant perdu ses profils
aérodynamiques, ralentit naturellement,
et peut s'arrêter de tourner. Le ralentissement de la turbine libre pour
revenir à des vitesses acceptables évite de la sorte le risque d'une
rupture du disque causée par les efforts centrifuges.
Il a à cet égard été proposé d'usiner le bord d'attaque du pied de
25
l'aube de la turbine afin d'ajuster la section
du col de l'aube pour que
celle-ci se rompe à une vitesse souhaitée, tout en conservant une
longueur de contact suffisante entre le pied de sapin de l'aube et
l'alvéole correspondante du disque qui reçoit le pied de sapin pour
garantir la tenue mécanique de l'attache de l'aube sur le disque.
30
On a représenté sur les figures 2 et 3 une
aube dotée d'une
section frangible destinée à se rompre pour empêcher la survitesse.
Comme on le voit, l'échasse 4 de l'aube, qui s'étend entre le pied
de sapin 6 et une plateforme qui forme la base d'un profil
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aérodynamique 5 ou pale de l'aube, comporte un bord d'attaque concave
7 permettant de former dans l'échasse une zone frangible de section
minimale apte à permettre à l'aube de se détacher du disque à partir
d'une vitesse de seuil de protection.
5
On a représenté sur la figure 4 la contrainte
radiale qui
s'applique dans l'échasse de l'aube sous l'effet des efforts
thermomécaniques. Comme on le voit, la création d'un bord d'attaque
concave 7 réduisant localement la section de l'échasse engendre
l'apparition d'une zone Z de contrainte maximale sur le bord d'attaque,
10
dans les coins de la section réduite. Cette
augmentation de la contrainte
maximale s'accompagne de l'apparition d'un moment supplémentaire en
raison du décentrage du profil aérodynamique par rapport à la section
minimale du col de l'échasse.
Il a été constaté que cette contrainte maximale conditionne la
15
durée de vie en fatigue de l'aube de sorte que
la réalisation de cette zone
concave dans le bord d'attaque pour fragiliser localement l'aube
requiert des travaux de conception relativement complexes afin de
définir la valeur de seuil à partir de laquelle les échasses se rompent
tout en limitant l'augmentation de la contrainte maximale nuisible à la
20 durée de vie en fatigue de l'aube.
Par ailleurs, l'utilisation de matériaux ayant une résistance
accrue pour la réalisation des aubes engendre, pour une même section
frangible, une augmentation de la vitesse de seuil à partir de laquelle
les échasses se rompent.
25
La réalisation d'une zone concave de
dimensions accrues dans le
bord d'attaque de l'aube de manière à diminuer localement la section de
l'échasse de l'aube ne permettrait pas de réduire la valeur de vitesse
limite de rupture de l'échasse sans augmenter de manière rédhibitoire la
contrainte maximale sur la section minimale de l'échasse et en
30
conséquence réduire la durée de vie en fatigue
de l'aube. Il est donc
souhaitable de pouvoir réduire la valeur de vitesse de rupture de
l'échasse lorsque l'on utilise un matériau de résistance accrue pour la
réalisation de l'aube.
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Exposé de l'invention
Au vu de ce qui précède, l'invention vise à proposer une aube de
turbine dotée d'une section frangible permettant de régler la valeur de
vitesse de rupture de l'aube sans augmentation de la contrainte
5 maximale dans l'aube_
L'invention a donc pour objet une aube de turbine comprenant
une pale et un pied, le pied comprenant une échasse présentant des
flancs latéraux à profil curviligne, ladite échasse comprenant une zone
frangible adaptée pour subir une rupture de l'échasse si des efforts
10 radiaux supérieurs à un seuil sont exercés sur l'aube, en particuler
des
efforts centrifuges lors d'un état de survitesse de la turbine.
La zone frangible comprend au moins une cavité oblongue de
frangibilité pratiquée sur au moins l'un des flancs latéraux de l'échasse,
ladite cavité oblongue s'étendant dans une direction axiale de l'échasse
15 selon un axe longitudinal parallèle à ou compris dans un plan de
section
minimale dans lequel se situe une section transversale minimale de
l'échasse.
Cette cavité permet ainsi de fragiliser la section frangible de
l'échasse en augmentant la contrainte moyenne qui s'exerce dans le col
20 de l'échasse, sans augmenter de manière significative la contrainte
maximale engendrée localement sous l'action des efforts
thermomécaniques. Elle permet par conséquent d'optimiser le réglage
de la vitesse limite à partir de laquelle les aubes se rompent.
Avantageusement, l'aube est montée sur un disque, l'axe
25 longitudinal de la ou chaque cavité oblongue étant compris dans un
plan
de frangibilité situé à une distance d'un axe de rotation du disque
comprise entre h+0,06h et h-0,06h, de préférence comprise entre
h+0,04h et h-0,04h, h désignant la distance entre l'axe de rotation et le
plan de section minimale, le plan de frangibilité et le plan de section
30 minimale étant parallèles entre eux et à l'axe de rotation.
Selon une autre caractéristique, la zone frangible de l'échasse
est formée par une zone concave de l'échasse réalisée sur une face avant
et sur au moins l'un des flancs latéraux de l'échasse, la zone la plus
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profonde de la cavité oblongue étant intersectée par le plan de section
minimale de Péchasse.
Par exemple, la profondeur maximale de la cavité oblongue est
comprise entre 9% et 35% de la largeur de l'échasse, de préférence
5 comprise entre 10% et 25% de la largeur de l'échasse, considérée à
l'endroit le plus profond de la cavité.
Dans un mode de réalisation, la profondeur maximale de la cavité
oblongue est comprise entre 10% et 25% de sa longueur, de préférence
comprise entre 14% et 20% de la longueur de la cavité
10 Dans un mode de réalisation, dans lequel chaque flanc
latéral de
l'échasse comprend une cavité oblongue de frangibilité, la distance
entre le barycentre des cavités et la projection du centre de gravité de
l'aube sur le plan de section minimale est compris entre 0 et 20% de la
longueur axiale de l'échasse, de préférence entre 0 et 15% de ladite
15 largeur de l'échasse.
Avantageusement, la cavité oblongue comporte une section
transversale curviligne.
De préférence, la cavité oblongue comporte une section
transversale en arc de cercle.
20 L'invention a également pour objet une turbine de
turbomachine,
comprenant un rotor comportant au moins un disque et un ensemble
d'aubes de turbine montées sur le disque, chaque aube étant une aube
telle que définie ci-dessus.
Avantageusement, l'axe longitudinal de la ou chaque cavité
25 oblongue de chaque aube est compris dans un plan de frangibilité situé
à une distance d'un axe de rotation du disque comprise entre h+0,061i et
h-0,06h, de préférence comprise entre h+0,04h et h-0,04h, h désignant
la distance entre l'axe de rotation du disque et le plan de section
minimal, le plan de frangibilité et le plan de section minimale étant
30 parallèles entre eux et à l'axe de rotation.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement
à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés.
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Brève description des dessins
[Fig 1], dont il a déjà été fait mention, illustre la structure
générale d'une turbine à gaz à turbine libre selon l'état de la technique ;
[Fig 2]
5 [Fig 31, déjà évoquées, sont respectivement des vues de
face et
en perspective d'une aube selon l'état de la technique ;
[Fig 4] dont il a déjà été fait mention, montre le champ de
contraintes s'exerçant sur l'échasse de l'aube des figures 2 et 3 ;
[Fig 5]
10 [Fig 6] sont respectivement des vues de face et en
perspective
d'une aube selon l'invention ;
[Fig 7] est une vue de détail à plus grande échelle de l'aube de
la figure 6 ;
[Fig 8] est une vue en coupe transversale de l'échasse de l'aube
15 des figures 5 et 6 à l'endroit le plus profond des cavités ;
[Fig 9] montre l'aube des figures 5 et 6 montée sur un disque de
rotor ;
[Fig 10] est une vue en perspective de la figure 8 ; et
[Fig 11] montre le champ de contraintes s'exerçant sur l'échasse
20 de l'aube des figures 5 et 6.
Exposé détaillé d'au moins un mode de réalisation
On a représenté sur les figures 5 et 6 une aube de turbomachine,
en particulier une aube de turbine libre, désignée par la référence
numérique générale 10.
25 Cette aube 10 comporte une pale 11, un pied de sapin 12
destiné
à la fixation de l'aube sur un disque de rotor, par engagement du pied
12 dans un logement aussi appelé alvéole de forme correspondante
pratiqué dans le disque, une échasse 13 prolongeant le pied de sapin 12
et une plateforme 14.
30 Le pied de sapin s'étend selon un axe longitudinal, qui de
façon
connue en soi peut former un angle avec l'axe de rotation A-A' du
disque de la turbine, afin d'augmenter la longueur de contact entre le
pied de sapin et le disque. L'axe du pied de sapin une fois l'aube montée
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sur le disque s'étend selon la direction de l'alvéole correspondante dans
le disque. Les alvéoles d'un disque de turbine libre peuvent être prévues
chacune plus ou moins en oblique dans un plan tangentiel au disque, par
rapport à la direction axiale du disque. En d'autres termes un angle dans
5
un plan tangentiel au disque est formé entre
la direction d'une alvéole
et l'axe du disque.
Comme on le voit, l'échasse 13 a une forme curviligne.
Elle comporte, sur sa face antérieure, du côté du bord d'attaque
de l'aube, une forme concave 15 et des flancs latéraux 16 également
10
concaves afin de réduire localement la section
de l'échasse pour
délimiter une zone frangible dans l'échasse.
L'aube 10 comporte par ailleurs des cavités 17 oblongues, c'est-
à-dire présentant une dimension longitudinale supérieure à leur
dimension latérale, qui sont pratiquées dans les flancs latéraux de
15
l'échasse 13. Chaque cavité 17 s'étend selon
un axe longitudinal X-
X'parallèle ou sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du pied de
sapin. L'axe X-X' de chaque cavité peut donc, comme l'axe du pied de
sapin, former un angle avec l'axe de rotation A-A' du disque de la
turbine, visible sur la figure 9.
20
Chaque cavité constitue une poche réduisant
localement la
section transversale du col de l'échasse afin de fragiliser la zone
frangible de l'échasse et de régler la vitesse limite de survitesse à partir
de laquelle la pale se détache du disque.
Par exemple, tel qu'illustré, chaque flanc latéral de l'échasse
25
comporte au moins une cavité. Chaque flanc
latéral comporte ici une
cavité, l'échasse comprenant une paire de cavités pratiquées de manière
symétrique.
Tel qu'illustré sur la figure 7, chaque cavité comporte une
section transversale concave, considérée perpendiculairement à l'axe
30
longitudinal de la cavité, de préférence une
section transversale ronde,
sans arête. Le rayon R de la cavité est de préférence compris entre 10 et
25% de la longueur de la cavité, avantageusement compris entre 14% et
20% de la longueur de la cavité.
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Sa profondeur, qui peut par exemple correspondre au rayon de la
cavité, est avantageusement comprise entre 9% et 35% de la largeur
minimale lmin de l'échasse, considérée au niveau du point le plus
profond de la cavité (figure 8). La profondeur de la cavité est de
5 préférence comprise entre 10% et 25% de la largeur imin de l'échasse.
En référence à la figure 9, qui illustre une aube montée sur une
portion d'un disque D, chaque cavité est pratiquée dans la surface
concave d'un flanc latéral de l'échasse et s'étend parallèlement à un
plan longitudinal P qui coïncide avec la largeur minimale du col de
10 l'échasse.
En considérant la distance h entre l'axe de rotation A-A' du
disque de la turbine et le plan P, l'axe X-X' de chaque cavité est compris
dans un plan, désigné par la suite plan de frangibilité, qui soit coïncide
avec le plan P, soit est parallèle au plan P et se situe légèrement au-
15 dessus ou au-dessus du plan P. Plus précisément, le plan de
frangibilité
se situe à une distance de l'axe de rotation A-A' du disque comprise
entre h-0,06h et hi-0,06h, de préférence comprise entre h-0,04h et
h-i-0,04h. Par ailleurs, si l'échasse comprend une paire de cavités
pratiquées de manière symétrique, le plan de frangibilité comprend les
20 deux axes X-X' respectifs des deux cavités.
Par ailleurs, comme visible sur la figure 10, qui illustre une vue
en perspective et en coupe transversale au niveau des points les plus
profonds des cavités, la distance d entre le barycentre B de l'ensemble
des cavités et la projection radiale du centre de gravité G de l'aube sur
25 le plan de coupe est comprise entre 0 et 20% de la longueur axiale L
de
l'échasse à l'endroit de sa section minimale, de préférence comprise
entre 0 et 15% de cette longueur L. La longueur axiale L est mesurée
selon une direction parallèle à l'axe du pied de sapin, lequel peut
avantageusement faire un angle avec l'axe de rotation A-A' du disque
30 de la turbine. Cet angle est compris par exemple entre 50 et 20 0.
La longueur des cavités est par exemple d'environ 40% de la
longueur totale du pied de sapin à l'endroit de la section minimale et
leur profondeur est d'environ 20% de la largeur du col.
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Chaque flanc latéral de l'échasse peut comporter un nombre
quelconque de cavités afin de réduire localement la section de Péchasse
et régler de la sorte la vitesse limite de rotation des aubes.
Comme indiqué précédemment, les cavités sont dépourvues
5 d'angle vif afin de ne pas induire de concentration de contraintes plus
fortes que celles qui sont déjà induites par la forme concave pratiquée
dans la face antérieure, du côté du bord d'attaque.
Ces cavités permettent de régler la vitesse de rupture de l'aube
en augmentant la contrainte moyenne qui s'exerce dans le col de
10 l'échasse, sans augmenter de manière significative la contrainte
maximale engendrée sous l'action des efforts thermomécaniques
nuisibles à la durée de vie de l'aube.
En effet, comme le montre la figure 11, qui illustre le champ de
contraintes radiales s'exerçant dans l'aube sous l'action des efforts
15 thermomécaniques, l'introduction d'une cavité dans la zone frangible de
l'échasse n'engendre pas d'augmentation significative de la contrainte
maximale qui reste localisée dans la zone Z' du bord de la concavité du
bord d'attaque de l'aube. A titre d'exemple, l'introduction d'une cavité
oblongue dans chacun des deux flancs latéraux de l'échasse, dans le cas
20 représenté sur cette figure 1 1, a augmenté localement la contrainte
maximale de seulement 1 %.
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