FR3050131A1

FR3050131A1 - Procede d'usinage pour distributeur multi-pale

Info

Publication number: FR3050131A1
Application number: FR1653271A
Authority: FR
Inventors: Gabriela Mihaila; Christian Bariaud; Thibault Dalon; Merdi Florian Le
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2016-04-13
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2036-04-13
Also published as: GB2550056B; FR3050131B1; US20170298749A1; US10428667B2; GB2550056A; GB201705708D0

Abstract

La présente invention porte sur un procédé de finition par usinage de la forme d'un distributeur multi-pale, notamment bipale, de turbomachine brut de fonderie, avec une première pale et une seconde pale s'étendant sensiblement suivant une direction radiale entre deux parois respectivement radialement intérieure et extérieure, l'extrados de la première pale définissant avec l'intrados du bord de fuite de la seconde pale une section de passage (SP), le procédé comprenant la mesure de la position par palpage de points prédéfinis sur lesdites parois respectivement radialement intérieure et extérieure, sur la surface des pales et le calcul des surépaisseurs (Δ1 respectivement Δ2) sur la première et la seconde pales par rapport au profil théorique en lesdits points, le procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend le calcul de ladite section de passage (SP) à partir de la hauteur de veine entre lesdites parois radialement intérieure et extérieure, et des valeurs des surépaisseurs (Δ1 et Δ2), une correction de la surépaisseur (Δ2) sur l'une des pales étant appliquée lorsque la valeur calculée de la section de passage (SP) est en dehors des tolérances prédéfinies.

Description

PROCÉDÉ D'USINAGE POUR DISTRIBUTEUR MULTI-PALE Domaine de l’invention

Le domaine de la présente invention est celui de la fabrication de pièces de turbomachines et, plus particulièrement, celui de l'usinage final réalisé sur des pièces brutes issues de fonderie que sont les organes multi-pales, tels que les distributeurs bipales destinés à équiper l’étage haute pression d’un moteur à turbine à gaz.

Etat de la technique

Les aubes de turbine des turbomachines sont généralement réalisées par la technique dite de la cire perdue qui permet d'obtenir directement la forme recherchée pour la plus grande partie de la pièce, sans passer par la réalisation d'une pièce brute qu'il faut ensuite usiner pour obtenir sa forme définitive. Pour mémoire ce procédé comprend des étapes telles que : fabrication d’un noyau pour obtention d’un circuit de refroidissement dans la pièce ; injection d’un modèle en cire autour du noyau ; montage en grappe des modèles en cire ; moulage d’une carapace céramique et frittage de celle-ci pour réaliser la liaison des grains céramique ; décirage de la carapace ; coulée du métal dans le moule ; décochage de la carapace ; découpe de la grappe métal en pièces individuelles ; décochage chimique du noyau des pièces obtenues ; finitions de celles-ci par usinage à grande vitesse UGV et contrôle non destructif CND. L’usinage de finition des aubes comprend des opérations sur le bord d’attaque pour l'enlèvement des amenées de grains, des opérations sur le bord de fuite pour l'enlèvement d'une barrette de bord de fuite et des opérations sur la plate-forme pour son raccordement avec la surface de la pale

Dans une turbomachine, une roue fixe formant distributeur a pour rôle de diriger le flux gazeux dans le moteur vers la roue mobile. Les roues de distributeurs sont formées d’ensembles monoblocs multi-pales, en particulier bipales. Ces derniers, distributeurs haute pression bipales, situés immédiatement en aval de la chambre de combustion dans un moteur à turbine à gaz sont des pièces complexes à fabriquer en raison notamment de la nature des matériaux résistant aux température élevées les constituant et de leur circuit interne de circulation d’air de refroidissement. Ils sont par exemple fabriqués en deux parties par fonderie, puis assemblés par la suite pour former le bloc bipale. Cette technique présente comme inconvénient d’entraîner à la fois des dispersions dimensionnelles en section de passage de gaz et une résistance mécanique de la pièce monobloc non entièrement satisfaisante.

Pour éviter ces inconvénients, il est maintenant connu de fabriquer des distributeurs haute pression bipales en une seule partie.

La demanderesse a développé une technique d’usinage recalculé permettant d'assurer la finition des pièces de fonderie en limitant les dispersions dimensionnelles et en garantissant un bon raccordement des parties issues de fonderie avec les parties usinées de la surface de la pièce, sans ressaut, les surfaces se rejoignant selon le même plan tangent. Un tel usinage est dit recalculé, car la trajectoire de l’outil qui usine s’adapte à la géométrie de la pièce brute issue. Cette technique est décrite dans le brevet EP 2 724 201 au nom de la demanderesse.

Cependant, le procédé d’usinage de finition décrit dans le brevet ci-dessus, pour la zone située au col de la veine formée entre deux pales ne prend pas en considération les caractéristiques dimensionnelles liées à la section de passage entre deux pales du bloc brut issu de fonderie.

La présente invention a pour objet un procédé de finition par usinage des pales dans la zone définissant la section de passage des gaz, c'est-à-dire au col de la veine. L’invention vise à assurer les caractéristiques dimensionnelles de la section de passage de gaz répondant aux tolérances prescrites.

Exposé de l’invention

On parvient à cet objectif en mettant en œuvre un procédé de finition par usinage de la forme d'un organe multi-pale tel qu’un distributeur multi-pale, notamment bipale, de turbomachine brut de fonderie, avec au moins une première pale et une seconde pale s’étendant sensiblement suivant une direction radiale entre deux parois respectivement radialement intérieure et extérieure, l’extrados de la première pale définissant avec l’intrados du bord de fuite de la seconde pale une section de passage (SP), le procédé comprenant la mesure de la position par palpage de points prédéfinis sur lesdites parois respectivement radialement intérieure et extérieure, sur la surface des pales et le calcul des surépaisseurs (Δ1 respectivement Δ2) sur la première et la seconde pales par rapport au profil théorique en lesdits points, le procédé étant caractérisé par le fait qu’il comprend le calcul de ladite section de passage à partir de la hauteur de veine entre lesdites parois radialement intérieure et extérieure, et des valeurs des surépaisseurs (Δ1 et Δ2), la comparaison de cette valeur calculée avec la valeur souhaitée et la correction de la surépaisseur (Δ2) sur l’une des pales lorsque la valeur calculée de la section de passage est en dehors des tolérances prédéfinies pour la valeur souhaitée.

Le principe de la solution permet donc d’effectuer les corrections requises dans la zone du col de la veine inter-pales pour parvenir à la section de passage souhaitée. Les points sur les pales dont la position est mesurée par palpage sont choisis à des sections de coupe prédéterminés par rapport à un repère fixe situé sous la plate-forme radialement intérieure du distributeur.

Plus précisément, le procédé comprend la mesure par palpage de la position de points prédéfinis sur l’extrados de la première pale et de points sur l’intrados du bord de fuite de la seconde pale, et de points sur lesdites parois respectivement radialement intérieure et extérieure et le calcul de la section de passage à partir de ces points.

Conformément à une caractéristique de l’invention, la mesure de la position des points sur l’intrados de la seconde pale est effectuée à partir de la mesure par palpage de points en regard sur l’extrados de la seconde pale, la valeur de la surépaisseur (Δ2) sur l’intrados étant une fonction, de préférence égale, à la valeur de la surépaisseur (Δ2’) sur l’extrados, (Δ2= Δ2’).

Plus particulièrement, la section de passage est calculée comme la somme de sections élémentaires L(Si) et d’un paramètre Cm*Hm fonction d’une hauteur de veine Hm définie entre les parois respectivement radialement intérieure et extérieure, L(Si) étant déterminée sur plusieurs coupes i transversales réparties à des pourcentages différents de la hauteur Hm entre les parois respectivement radialement intérieure et extérieure, avec Si = Ci*(Di+Ail+Ai2+ ε) où :

Ci est un coefficient de coupe prédéterminé dont la valeur théorique est fonction de la coupe (i),

Di est la cote de la section élémentaire au rayon de coupe (i), ΔΪ1 est la valeur de la surépaisseur sur l’extrados de la première pale au rayon de coupe (i), ΔΪ2 est la valeur de la surépaisseur sur l’intrados de la seconde pale au rayon de coupe (i),

Les valeurs des surépaisseurs Ail, Ai2 étant obtenues à partir de surépaisseurs desdits points de l’intrados de la seconde pale et de l’extrados de la première dont la position a été mesurée, et ε est une valeur de correction à ajouter à ΔΪ2.

Le paramètre Cm*Hm est calculé comme le produit d’un coefficient Cm et d’une hauteur Hm de la veine déterminée à partir de points palpés en paroi : notamment deux points palpés sur la paroi radialement intérieure et deux points sur la paroi radialement extérieure de la veine.

De préférence, la valeur de ε est obtenue par itération à partir d’une valeur d’incrémentation initiale et du calcul de la section de passage à laquelle est appliquée ladite valeur d’incrémentation en plus ou en moins jusqu’à ce que le calcul de la section de passage soit à l’intérieur d’un intervalle de tolérance requis.

Afin d’obtenir une épaisseur constante du bord de fuite de la seconde pale, la valeur ΔΪ2 de la surépaisseur sur la face intrados de la seconde pale est choisie de préférence égale pour toutes sections élémentaires de même cote i.

Présentation des figures L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l’invention donné à titre d’exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.

Sur ces dessins : la figure 1 est une vue en perspective d’un distributeur bipale de turbine haute pression ;

- la figure la est une coupe schématique du distributeur de la figure 1 dans un plan transversal aux pales, comprenant la direction III-III et sensiblement perpendiculaire à la direction II-II - la figure 2 est une coupe du distributeur de la figure 1 selon un plan de la section de passage, passant par le bord de fuite de la pale 2 et comprenant les directions II-II et III-III ; - la figure 3 est une coupe d’une pale du distributeur de la figure 1 avant usinage ; - la figure 3 a est une vue agrandie du bord de fuite de la pale de la figure 3 ; - la figure 4 est une vue agrandie du bord de fuite de la pale de la figure 3 avec l’indication des tolérances d’usinage ; - la figure 5 est l’organigramme des séquences du procédé de l’invention.

Description d’un mode de réalisation de l’invention

La description qui va suivre s’applique à un organe de turbomachine de type multi-pale, tel qu’un distributeur et pourrait s’appliquer à un autre organe de même type.

En se référant à la figure 1, on voit un distributeur bipale D de turbine haute pression, en sortie des opérations de fonderie à la cire perdue, vu en perspective et en biais du côté de son bord de fuite. Le distributeur bipale D correspond à un secteur annulaire autour d’un axe non représenté sur la figure. Il comprend deux pales 1 et 2 s’étendant sensiblement radialement par rapport audit axe et reliées par un secteur d’anneau interne 3 et un secteur d’anneau externe 4. La seconde pale, 2, est visible par son extrados entre son bord d’attaque 2BA et son bord de fuite 2BF. La première pale, 1, en amère sur la figure par rapport à la pale 2 n’est visible que, partiellement, du côté de son bord de fuite 1BF. Le bord d’attaque de la pale 1 est caché ici par la pale 2.

Dans le cas présenté, la section de passage de l’air circulant dans la veine définie entre les la première pale 1, la deuxième pale 2 et les secteurs d’anneau interne 3 et externe 4, correspond à l’aire du profil de ladite veine dans un plan de coupe passant par le bord de fuite 2BF de la deuxième pale. Ce plan de coupe, comprenant une direction II-II sensiblement radiale et une direction III-III sensiblement transversale aux profils des pales au niveau du bord de fuite 2BF, traverse la première pale 1 bien en amont de son bord de fuite 1BF, comme indiqué sur la figure la. Ce plan de coupe, ou plan de la section de passage, correspond à un col entre les deux pales.

Comme on peut le voir sur la figure la, dans le cas présenté, la première pale 1 est creuse dans ce plan de coupe car le cas correspond à celui présenté dans l’état de l’art où les pales sont fabriquées de manière à ménager un circuit de refroidissement.

La figure 2 montre le distributeur de la figure 1 coupé par le plan de la section de passage entre les deux pales 1 et 2 au col de la veine.

En référence à la figure 2, dans un mode de réalisation du procédé, cette section de passage SP est définie sur la figure par 10 points dans le plan de section de passage : - P12, P32 et P52 sont des points sur l’intrados du bord de fuite 2BF de la seconde pale 2 du distributeur selon trois rayons déterminés autour de l’axe par rapport auquel le secteur annulaire du distributeur est défini ; - Pli, P31 et P51 sont des points sur l’extrados de la première pale 1 en vis-à-vis des points précédents et sensiblement aux mêmes rayons déterminés ; - P7 et P9 sont des points sur la paroi radialement intérieure de la veine, du côté du secteur d’anneau interne 3, et P8 et P10 sont des points sur la paroi radialement extérieure de la veine, du côté du secteur d’anneau externe 4.

La figure 3 représente la seconde pale 2 en coupe transversale, perpendiculaire à son axe longitudinal en sortie de fonderie. Elle présente encore le noyau 2n avec la barrette 2nb qui traverse la paroi de la pale pour former, après suppression du noyau, les évents d’évacuation du circuit interne de refroidissement de la pale. Sur le bord de fuite est également présente une surépaisseur 2ep de la barrette 2nb qu’il s’agit de supprimer par usinage. L’objectif est d’obtenir un profil de bord de fuite correspondant au tracé 2f, visible sur la loupe de la figure 3 a. Ce profil est obtenu de manière à ce que la section de passage SP soit la section de passage souhaitée aux tolérances près.

Dans ce but on procède de la façon suivante :

La position des points ci-dessus est mesurée au moyen d’un outil de palpage approprié et connu en soi PI 1, P31, P51 sur l’extrados de la première pale 1, P7, P8, P9, P10 sur les parois radialement extérieure et intérieure de la veine, P12, P32, P52 sur l’intrados de bord de fuite 2BF de la seconde pale 2.

Pour ces derniers points, P12, P32, P52 la mesure est en fait réalisée sur les points P12’, P32’ et P52’, non présents sur la figure 2 et correspondant à Pi2’ sur la figure 4 avec i = 1, 3, 5 respectivement. Les points P12, P32 et P52 sur l’intrados sont en regard des points P12’, P32’ et P52’ et leur position est obtenue par extrapolation, connaissant l’épaisseur EP du bord de fuite (voir la distance entre Pi2 et Pi2’, sur la figure 4). De préférence, cette épaisseur est la même pour les trois coupes i= 1,3, 5. Cette méthode est justifiée par la présence des barrettes 2nb et de la surépaisseur 2e avant tout usinage.

En ayant obtenu par la méthode décrite ci-dessus, les coordonnées de ces points on est en mesure de déterminer la surépaisseur ΔΡ11, ΔΡ31, ΔΡ51, ΔΡ12’, ΔΡ32’ et ΔΡ52’, ΔΡ7, ΔΡ8, ΔΡ9, ΔΡ10, notée génériquement Δ, existant en chacun de ces points, par rapport à leur position dans le profil théorique connu, du fait de la fabrication en fonderie. Le profil théorique est défini par un modèle numérique théorique tridimensionnel, alors que la pièce réelle, en sortie de fonderie, présente un profil avec une surépaisseur en divers points.

On connaît la section de passage théorique SPt. Le calcul de SPt peut être formulé :

Où

Di est la cote (autrement dit la largeur de la veine) de la section au niveau du rayon i de chaque point déterminé Pi2, i =1,3,5, et Ci est un coefficient de coupe, ou d’intégration, prédéterminé dont la valeur théorique est fonction du rayon i. Comme illustré sur la figure 2, Di est ici calculé comme la distance entre le point Pi2 sur l’intrados de la deuxième pale 2 et le point Pii sur l’extrados de la première pale 1 situés au même rayon i, i= 1, 3, 5. Chaque rayon i correspond à une coupe cylindrique du distributeur selon un cylindre de rayon i autour de l’axe de l’anneau dont il est un secteur. On parlera donc ainsi dans la suite de coupe i ou de rayon de coupe i pour référencer les points ou les coefficients correspondants.

Cm et Hm sont respectivement un coefficient et la hauteur de la veine. Ils prennent en compte la forme des parois radialement extérieure et intérieure de la veine.

Hm représente une hauteur de veine moyenne définie entre les parois radialement intérieure et extérieure, Par ailleurs les rayons de coupe i correspondent à des coupes à différents pourcentages de cette hauteur moyenne Hm en partant de la paroi radialement intérieure.

Pour ce calcul on prend, en pratique, les cotes à trois rayons correspondant sensiblement à 10%, 50% et 90% de la hauteur de la veine Hm.

En appliquant cette formule aux valeurs mesurées par palpage on obtient la mesure de la section réelle SPr : SPr = ICi*(Di - Δίΐ +Ai2’ +ε) +Cm*Hm (ΔΡ7, ΔΡ9 , ΔΡ8,_ΔΡ10) Où Ci est le même coefficient de coupe que dans le calcul théorique

Di est la cote de la section au niveau de la coupe i

Ail est la surépaisseur par rapport au profil théorique déterminée par le palpage du point sur l’extrados de la première pale 1 au niveau de la coupe i. ΔΪ2’ est la surépaisseur par rapport au profil théorique déterminée par le palpage du point sur l’extrados de la seconde pale 2 au niveau de la coupe i. Cette valeur est considérée comme étant égale à ΔΪ2 qui est la surépaisseur extrapolée sur l’intrados.

Pour déterminer Ail et respectivement ΔΪ2, à partir des mesures par palpage des surépaisseurs ΔΡ11, ΔΡ31, ΔΡ51, et ΔΡ12, ΔΡ32, ΔΡ52, la méthode de calcul de la section de passage a été présentée pour trois rayons de coupe i correspondant aux trois rayons i où les palpages sont effectués mais il est évident que l’on peut utiliser d’autres nombres de points et de rayons de coupe. Notamment si le nombre de coupes ne correspond pas aux nombre de points de palpage, il est possible, pour utiliser la formule de calcul de la section de passage, d’utiliser des interpolations, par exemple celles utilisées dans l’usinage recalculé, pour utiliser les valeurs obtenues aux points mesurés par palpage.

Cm*Hm (ΔΡ7, ΔΡ9, ΔΡ8,_ΔΡ10) est une valeur du produit des coefficients Cm et Hm prenant en compte la forme des parois radialement extérieure et intérieure de la veine corrigée en prenant en compte les surépaisseurs mesurées par palpage aux points P7, P8, P9, P10. Cette valeur corrigée n’est ensuite plus modifiée dans les corrections de section de passage SPr.

Cette valeur SPr est comparée à la valeur théorique SPt. Si elle est hors tolérances, on introduit une correction ε par exemple de valeur 0,01mm en positif ou en négatif selon que la valeur est supérieure à une tolérance maximale prédéterminée ou inférieure à une tolérance minimale prédéterminée.

Le calcul est réitéré un nombre N de fois jusqu’à ce que le calcul donne une valeur de SPr dans l’intervalle de tolérance prédéfini.

En dernière étape, on usine, préférentiellement par usinage recalculé, l’intrados en appliquant la correction Ν*ε.

On applique pour chaque coupe i la même valeur de Δ : Δ12’= Δ32’=Δ52’.

De préférence, on vérifie également que le Δ obtenu permet de rester dans des tolérances de fabrication maximales et minimales par rapport à l’épaisseur EP du bord de fuite, comme indiqué sur la figure 4.

La figure 5 donne l’organigramme du procédé. 100 : Calcul de la section de passage SPr après palpage. 101 : Vérification si SPr est dans les tolérances. 102 : Oui. 103 : Non. 104 : SPr est supérieure à la tolérance maximale. 105 : SPr est inférieure à la tolérance minimale. 106 : Calcul d’un nouveau SPr à partir des valeurs ΔΪ2 auxquelles on a appliqué un incrément -ε. 107 : Calcul d’un nouveau SPr à partir des ΔΪ2 auxquelles on a appliqué un incrément +ε. 108 : Itération du calcul de SPr à partir des ΔΪ2 auxquelles on a appliqué successivement des incréments -ε jusqu’à ce que SPr soit dans l’intervalle de tolérance ; nombre N d’itérations limité à 10. 109 : Itération du calcul de SPr à partir des ΔΪ2 auxquelles on a appliqué successivement des incréments +ε jusqu’à ce que SPr soit dans l’intervalle de tolérance ; nombre N d’itérations limité à 10. 110 : Usinage du profil intrados du bord de fuite de la seconde pale 2 pour enlever une épaisseur de matière correspondant à Ν*ε.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de finition par usinage de la forme d'un organe multi-pale tel qu’un distributeur multi-pale, notamment bipale, de turbomachine brut de fonderie, avec au moins une première pale et une seconde pale s’étendant sensiblement suivant une direction radiale entre deux parois respectivement radialement intérieure et extérieure, l’extrados de la première pale définissant avec l’intrados du bord de fuite de la seconde pale une section de passage (SP), le procédé comprenant la mesure de la position par palpage de points prédéfinis sur lesdites parois respectivement radialement intérieure et extérieure, sur la surface des pales et le calcul des surépaisseurs (Δ1 respectivement Δ2) sur la première et la seconde pales par rapport au profil théorique en lesdits points, le procédé étant caractérisé par le fait qu’il comprend le calcul de ladite section de passage (SP) à partir de la hauteur de veine entre lesdites parois radialement intérieure et extérieure, et des valeurs des surépaisseurs (Δ1 et Δ2) et la correction de la surépaisseur (Δ2) sur l’une des pales lorsque la valeur calculée de la section de passage (SP) est en dehors des tolérances prédéfinies.
2. Procédé selon la revendication 1, comprenant la mesure par palpage de la position de points prédéfinis sur l’extrados de la première pale, de points sur l’intrados du bord de fuite de la seconde pale, et de points sur lesdites parois respectivement radialement intérieure et extérieure et le calcul de la section de passage à partir de ces points.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, la mesure de la position des points sur l’intrados de la seconde pale étant effectuée à partir de la mesure par palpage de points en regard sur l’extrados de la seconde pale, la valeur de la surépaisseur (Δ2) sur l’intrados étant une fonction, de préférence égale, à la valeur de la surépaisseur (Δ2’) sur l’extrados, (Δ2= Δ2’).
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dont la section de passage est calculée comme la somme de sections élémentaires X(Si) et d’un paramètre Cm*Hm fonction d’une hauteur de veine Hm définie entre les parois respectivement radialement intérieure et extérieure, L(Si) étant déterminée sur plusieurs coupe (i) transversales réparties à des pourcentages différents de la hauteur Hm entre les parois respectivement radialement intérieure et extérieure, avec Si = Ci*(Di-Ail+Ai2+ ε) où : Ci est un coefficient prédéterminé dont la valeur théorique est fonction de la coupe (i), Di est la cote de la section élémentaire pour la coupe (i), ΔΪ1 est la valeur de la surépaisseur sur l’extrados de la première pale pour la coupe (i), ΔΪ2 est la valeur de la surépaisseur sur l’intrados de la seconde pale pour la coupe (i), Les valeurs des surépaisseurs Δϊΐ, ΔΪ2 étant obtenues à partir de surépaisseurs desdits points de l’intrados de la seconde pale et de l’extrados de la première dont la position a été mesurée, et ε étant une valeur de correction à ajouter à ΔΪ2.
5. Procédé selon la revendication précédente, dont la valeur de ε est obtenue par itération à partir d’une valeur d’incrémentation initiale et du calcul de la section de passage à laquelle est appliquée ladite valeur d’incrémentation en plus ou en moins jusqu’à ce que le calcul de la section de passage soit à l’intérieur d’un intervalle de tolérance requis.
6. Procédé selon l’une des revendications 4 et 5, dont la valeur ΔΪ2 de la surépaisseur sur la face intrados de la seconde pale est choisie, de préférence égale, pour toutes sections élémentaires de même cote i.