FR3055352A1 - Aube pour turbomachine dotee d'une structure reduisant les risques d'apparition de criques - Google Patents

Aube pour turbomachine dotee d'une structure reduisant les risques d'apparition de criques Download PDF

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Abstract

Une aube (54) pour turbomachine, comprend un profil aérodynamique (61) formé d'un corps (70) réalisé en un premier matériau présentant un premier coefficient de dilatation thermique linéique selon la direction du bord d'attaque, et d'une pièce additionnelle (74) réalisée en un deuxième matériau présentant un deuxième coefficient de dilatation thermique linéique selon la direction du bord d'attaque. La pièce additionnelle (74) est logée dans un évidement (72) formé dans une partie médiane du corps (70) de sorte que la pièce additionnelle (74) forme une portion médiane du bord d'attaque (62) du profil aérodynamique (61). Le deuxième coefficient de dilatation thermique linéique est strictement supérieur au premier coefficient de dilatation thermique linéique, à une température nominale d'utilisation de l'aube (54), ce qui permet de réduire les risques d'apparition de criques au sein du profil aérodynamique (61).

Description

DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine des aubes de turbomachine, notamment les aubes des distributeurs au sein des turbines basse pression de certaines turbomachines.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les turbines basse pression des turbomachines comprennent typiquement une succession d'étages formés chacun d'une rangée annulaire d'aubes fixes portées par un carter de la turbine, appelée « distributeur », et d'une roue à aubes montée rotative et habituellement disposée en aval du distributeur.
Les aubes de distributeur sont soumises à des sollicitations mécaniques importantes, susceptibles d'entraîner l'apparition de criques.
Cela est particulièrement le cas en ce qui concerne certaines aubes du distributeur de l'étage situé le plus en amont de la turbine basse pression de certaines turbomachines.
En effet, ces aubes intègrent un ou plusieurs canaux dans lesquels circule de l'air de refroidissement prélevé sur un compresseur de la turbomachine et destiné notamment à alimenter une cavité à partir de laquelle l'air peut pénétrer dans des circuits internes de refroidissement des roues à aubes mobiles de la turbine.
Le profil aérodynamique de ces aubes de distributeur est donc soumis à des gradients de température élevés induits par la circulation de l'air de refroidissement à l'intérieur de ce profil aérodynamique, et par l'écoulement du flux primaire chaud provenant de la chambre de combustion autour du profil aérodynamique.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a notamment pour but de réduire les risques d'apparition de criques au sein de certaines aubes dans les turbomachines, notamment en ce qui concerne des aubes dans lesquelles circule de l'air de refroidissement, en particulier les aubes du distributeur de l'étage situé le plus en amont de la turbine basse pression de certaines turbomachines.
L'invention propose à cet effet une aube pour turbomachine, comprenant un profil aérodynamique comportant un bord d'attaque, un bord de fuite, une paroi d'intrados et une paroi d'extrados, dans laquelle le profil aérodynamique est formé d'un corps réalisé en un premier matériau présentant un premier coefficient de dilatation thermique linéique selon la direction du bord d'attaque, et d'une pièce additionnelle réalisée en un deuxième matériau présentant un deuxième coefficient de dilatation thermique linéique selon la direction du bord d'attaque. La pièce additionnelle est logée dans un évidement formé dans une partie médiane du corps de sorte que la pièce additionnelle forme une portion médiane du bord d'attaque du profil aérodynamique. De plus, le deuxième coefficient de dilatation thermique linéique est strictement supérieur au premier coefficient de dilatation thermique linéique, à une température nominale d'utilisation de l'aube.
A l'issue de recherches intensives, la demanderesse a déterminé que le risque d'apparition de criques est maximal dans une région médiane du bord d'attaque des aubes. Cela semble s'expliquer, en ce qui concerne les aubes des distributeurs, notamment par les déformations thermiques des plateformes internes et externes des distributeurs, et par les gradients thermiques axiaux au sein des aubes. Il apparaît ainsi que les bords d'attaque des aubes sont soumis à des contraintes de traction qui favorisent l'apparition de criques dans la région médiane du bord d'attaque.
La réalisation du profil aérodynamique de l'aube en deux parties, à savoir le corps et la pièce additionnelle, et le choix d'un matériau à coefficient de dilatation thermique plus élevé en ce qui concerne la pièce additionnelle, permet de réduire les contraintes mécaniques dans la région médiane du bord d'attaque des aubes.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les premier et deuxième matériaux sont des alliages métalliques.
La pièce additionnelle est de préférence fixée au corps par brasage.
Par ailleurs, la pièce additionnelle forme avantageusement des parties amont respectives des parois d'intrados et d'extrados.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la pièce additionnelle est une plaque recourbée de manière à présenter deux flancs, formant respectivement lesdites parties amont respectives des parois d'intrados et d'extrados, et agencés de part et d'autre d'une zone de courbure formant ladite portion médiane du bord d'attaque.
Chacun des flancs présente de préférence un bord en V à sommet arrondi.
Par ailleurs, la pièce additionnelle contribue avantageusement à délimiter une cavité interne à l'intérieur du profil aérodynamique de l'aube.
L'invention est en effet particulièrement avantageuse lorsqu'elle est appliquée à une aube creuse, destinée à être parcourue par un flux d'air de refroidissement.
Dans ce cas, la pièce additionnelle peut comporter, sur sa surface interne délimitant la cavité interne, au moins un perturbateur de flux.
L'invention concerne également un distributeur pour turbomachine, comprenant au moins une aube du type décrit ci-dessus.
L'invention est en effet particulièrement avantageuse lorsqu'elle est appliquée à une aube de distributeur.
Dans certains cas, il peut être avantageux que seules certaines des aubes d'un distributeur intègrent les améliorations proposées par la présente invention, tandis que d'autres aubes du même distributeur sont des aubes conventionnelles.
Ainsi, le distributeur peut comprendre en outre au moins une aube comprenant un profil aérodynamique dépourvu de pièce additionnelle.
L'invention concerne aussi une turbine basse pression pour turbomachine à double corps, comprenant au moins un distributeur du type décrit cidessus.
De manière plus générale, l'invention concerne également une turbomachine pour aéronef, comprenant au moins une aube du type décrit ci-dessus.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en section axiale d'une turbomachine selon un mode de réalisation préféré de l'invention ;
- la figure 2 est une demi-vue en section axiale, à plus grande échelle, d'une turbine basse pression de la turbomachine de la figure 1 ;
- la figure 3 est une demi-vue en section axiale, à plus grande échelle, du distributeur du premier étage de la turbine basse pression de la figure 2 ;
- la figure 4 est une vue schématique partielle en perspective d'un secteur du distributeur de la figure 3 ;
- la figure 5 est une vue schématique partielle en perspective d'un corps formant le profil aérodynamique d'une aube du secteur de distributeur de la figure 4 ;
- les figures 6 et 7 sont des vues schématiques de côté d'une pièce additionnelle destinée à se loger dans un évidement du corps visible sur la figure 5.
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
La figure 1 illustre une turbomachine 10 pour aéronef, par exemple un turboréacteur à double flux et à double corps, comportant de manière générale une soufflante 12 destinée à l'aspiration d'un flux d'air se divisant en aval de la soufflante en un flux primaire alimentant un cœur de la turbomachine et un flux secondaire contournant ce cœur. Le cœur de la turbomachine comporte, de manière générale, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20 et une turbine basse pression 22. La turbomachine est carénée par une nacelle 24 entourant le canal d'écoulement de flux secondaire 26. Les rotors de la turbomachine sont montés rotatifs autour d'un axe longitudinal 28 de la turbomachine.
Dans l'ensemble de cette description, la direction axiale X est la direction de l'axe longitudinal 28 de la turbomachine, la direction radiale R est en tout point une direction orthogonale à la direction axiale X, et la direction tangentielle T est en tout point orthogonale aux deux directions précédentes. Par ailleurs, les directions « amont » et « aval » sont définies par référence à l'écoulement général des gaz dans la turbomachine.
La figure 2 illustre la turbine basse pression 22 de la turbomachine. D'une manière bien connue, cette turbine basse pression est formée d'une succession d'étages 30, 32, 34, 36 comprenant chacun un distributeur 30A, 32A, 34A, 36A en amont et une roue aubagée 30B, 32B, 34B, 36B en aval.
Chaque distributeur 30A, 32A, 34A, 36A comporte une rangée annulaire d'aubes fixées à un carter externe 40 de la turbine. Dans l'exemple illustré, chaque distributeur est formé d'un assemblage de secteurs agencés circonférentiellement boutà-bout.
Par ailleurs, les roues aubagées 30B, 32B, 34B, 36B sont reliées l'une à l'autre de manière à former un rotor de la turbine.
La figure 3 montre plus particulièrement le distributeur 30A du premier étage 30, c'est-à-dire l'étage le plus en amont, au sein de la turbine basse pression 22. Les aubes de ce distributeur 30A intègrent chacune un circuit d'air de refroidissement permettant l'écoulement d'un flux d'air de refroidissement F depuis une admission radialement externe 42 jusque dans une cavité 44 agencée radialement à l'intérieur du rotor de la turbine. Une partie de l'air de refroidissement permet en outre le refroidissement des aubes elles-mêmes par impact de jet d'air ou par création d'un film d'air sur la surface extérieure des aubes.
La figure 4 montre également un secteur 50 du redresseur 30A, comprenant quatre aubes, à savoir deux aubes 52 d'un type conventionnel, et deux aubes 54 d'un type nouveau. Les extrémités radialement externe et radialement interne des aubes 52 et 54 sont respectivement raccordées à une plateforme annulaire externe 56 et à une plateforme annulaire interne 58.
D'une manière connue en soi, chacune des aubes 52 et 54 comprend un profil aérodynamique 60, 61 comportant un bord d'attaque 62 agencé du côté amont, un bord de fuite 64 agencé du côté aval, une paroi d'intrados 66 et une paroi d'extrados 68 qui se rejoignent au niveau du bord d'attaque 62 et au niveau du bord de fuite 64.
Le profil aérodynamique 60, 61 de chaque aube 52, 54 comporte une cavité interne. Les aubes 52 et 54 comportent en outre une chemise interne logée dans la cavité interne et destinée à canaliser le flux d'air de refroidissement au sein de l'aube et à distribuer une partie de ce flux au sein de la cavité interne de manière à refroidir l'aube.
Le profil aérodynamique 60 des aubes 52 de type conventionnel est formé d'un corps réalisé d'un seul tenant, par exemple par fonderie.
A l'issue de recherches intensives, la demanderesse a déterminé que le risque d'apparition de criques est maximal dans une région médiane du bord d'attaque des aubes. Cela semble s'expliquer, dans le cas des distributeurs, notamment par les déformations thermiques des plateformes internes et externes, et par les gradients thermiques axiaux au sein des aubes. Il apparaît ainsi que les bords d'attaque des aubes sont soumis à des contraintes de traction, orientées sensiblement selon la direction du bord d'attaque, et qui favorisent l'apparition des criques dans la région médiane du bord d'attaque.
La demanderesse a en outre déterminé que dans certaines turbomachines, deux aubes particulières étaient soumises à des niveaux de contraintes supérieurs à ceux auxquels sont soumis les autres aubes du distributeur 30A, de sorte que, dans le mode de réalisation préféré de l'invention, seules ces deux aubes (portant la référence 54 sur les figures) intègrent les caractéristiques innovantes proposées par la présente invention et qui vont maintenant être décrites, de manière à limiter les coûts relatifs à la mise en oeuvre de cette invention.
Comme le montrent les figures 3-7, les aubes 54 sont semblables aux aubes 52 sauf en ce que le profil aérodynamique 61 de chacune des aubes 54 est formé d'un corps 70 présentant un évidement 72 formé dans une partie médiane du corps 70, et d'une pièce additionnelle 74 qui est logée dans l'évidement 72 de sorte que la pièce additionnelle 74 forme une portion médiane du bord d'attaque 62 du profil aérodynamique 61. La pièce additionnelle 74 contribue donc à délimiter la cavité interne 75 du profil aérodynamique de l'aube (visible sur la figure 5).
Comme cela apparaît plus clairement sur les figures 3 et 5, l'évidement 72 prend la forme d'une découpe formée dans le corps 70 à partir du bord d'attaque 62, conjointement dans les parois d'intrados 66 et d'extrados 68. La découpe a globalement une forme en V à sommet 76 arrondi, ouvert dans le bord d'attaque 62, lorsque le corps 70 est vu de côté.
La forme arrondie du sommet 76 de la découpe formant l'évidement 72 permet de limiter les concentrations de contraintes au niveau de ce sommet 76.
Dans l'exemple illustré, la profondeur D de la découpe formant l'évidement 72 dans chacune des parois 66 et 68, selon la direction axiale X, est égale à 30% de la corde C du profil aérodynamique 61 (figure 3). D'une manière générale, la profondeur D de la découpe est de préférence inférieure ou égale à 30% de la corde C, de sorte que le corps 72 conserve une tenue mécanique satisfaisante. De plus, l'étendue radiale B de la découpe est environ égale à 30% de l'étendue radiale A du bord d'attaque 62. Enfin, la découpe est de préférence centrée à égale distance des extrémités 62A, 62B du bord d'attaque 62.
La figure 5 laisse en outre apercevoir la chemise interne 77 logée dans la cavité interne 75 du profil aérodynamique 61 pour canaliser le flux d'air de
0 refroidissement F au sein de l'aube 54 et diffuser une partie de ce flux au travers d'orifices 78 en direction de la surface intérieure du profil aérodynamique 61.
Les figures 6 et 7 montrent la pièce additionnelle 74 avant sa fixation au corps 72. Cette pièce additionnelle est constituée d'une plaque, globalement en forme de losange à sommets arrondis, recourbée au niveau d'une diagonale du losange de manière
5 à présenter deux flancs ou ailes 80A, 80B s'étendant respectivement de part et d'autre de la zone de courbure 82. Chacun des flancs 80A, 80B présente ainsi un bord en V à sommet 83A, 83B arrondi.
Lorsque la pièce additionnelle 74 est logée dans l'évidement 72 (figures 3 et 4), la zone de courbure 82 forme ainsi une partie médiane du bord d'attaque
62, tandis que les flancs 80A, 80B forment respectivement des portions médianes amont des parois d'intrados 66 et d'extrados 68.
Dans l'exemple illustré, le profil aérodynamique 61 présente des perturbateurs de flux au sein de sa cavité interne. La pièce additionnelle 74 comporte certains de ces perturbateurs de flux 84 (figure 7), qui s'étendent en saillie depuis la zone de courbure 82 sur la face interne de la pièce additionnelle.
D'une manière générale, le corps 70 est réalisé en un premier matériau, présentant un premier coefficient de dilatation thermique linéique selon la direction du bord d'attaque 62 (qui correspond à la direction radiale R dans l'exemple illustré), tandis que la pièce additionnelle 74 est réalisée en un deuxième matériau, présentant un deuxième coefficient de dilatation thermique linéique selon la direction du bord d'attaque 62. Ces deux matériaux sont choisis de sorte que le deuxième coefficient de dilatation thermique linéique soit strictement supérieur au premier coefficient de dilatation thermique linéique, à une température nominale d'utilisation de l'aube, par exemple égale à 1000 degrés Celsius.
L'écart entre les coefficients de dilatation thermique respectifs des premier et deuxième matériaux permet de réduire les contraintes mécaniques dans la région médiane du bord d'attaque 62 du profil aérodynamique 61, qui correspond à la région où la probabilité d'apparition de crique est la plus élevée dans les aubes des distributeurs de type connu.
Les premier et deuxième matériaux sont de préférence des alliages métalliques, ce qui autorise notamment la fixation de la pièce additionnelle 74 au corps 70 par brasage.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le premier matériau est ainsi un superalliage de nickel dénommé « René 125 », dont le coefficient de dilatation thermique linéique à 1000 degrés Celsius est égal à l,47E-5, tandis que le deuxième matériau est un superalliage de nickel dénommé « Hastelloy X » (marque déposée), dont le coefficient de dilatation thermique linéique à 1000 degrés Celsius est égal à l,62E-5.
En variante, un distributeur conforme à l'invention peut comporter un nombre supérieur à deux d'aubes 54 pourvues d'une pièce additionnelle, ou encore une unique aube de ce type.
Le principe de l'invention peut en outre être appliqué à d'autres aubes 5 au sein des turbomachines, notamment aux aubes des distributeurs d'autres étages des turbines basse pression ou aux aubes du distributeur d'une turbine haute pression, ou encore aux aubes des roues aubagées.
ίο

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Aube pour turbomachine, comprenant un profil aérodynamique (61) comportant un bord d'attaque (62), un bord de fuite (64), une paroi d'intrados (66) et une paroi d'extrados (68), caractérisée en ce que le profil aérodynamique (61) est formé d'un corps (70) réalisé en un premier matériau présentant un premier coefficient de dilatation thermique linéique selon la direction du bord d'attaque, et d'une pièce additionnelle (74) réalisée en un deuxième matériau présentant un deuxième coefficient de dilatation thermique linéique selon la direction du bord d'attaque, la pièce additionnelle (74) étant logée dans un évidement (72) formé dans une partie médiane du corps (70) de sorte que la pièce additionnelle (74) forme une portion médiane du bord d'attaque (62) du profil aérodynamique (61), et le deuxième coefficient de dilatation thermique linéique est strictement supérieur au premier coefficient de dilatation thermique linéique, à une température nominale d'utilisation de l'aube .
  2. 2. Aube selon la revendication 1, dans laquelle les premier et deuxième matériaux sont des alliages métalliques.
  3. 3. Aube selon la revendication 2, dans laquelle la pièce additionnelle (74) est fixée au corps (70) par brasage.
  4. 4. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la pièce additionnelle (74) forme des parties amont respectives des parois d'intrados (66) et d'extrados (68).
  5. 5. Aube selon la revendication 4, dans laquelle la pièce additionnelle (74) est une plaque recourbée de manière à présenter deux flancs (80A, 80B), formant respectivement lesdites parties amont respectives des parois d'intrados (66) et d'extrados (68), et agencés de part et d'autre d'une zone de courbure (82) formant ladite portion médiane du bord d'attaque (62).
  6. 6. Aube selon la revendication 5, dans laquelle chacun des flancs (80A, 80B) présente un bord en V à sommet (83A, 83B) arrondi.
  7. 7. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la pièce additionnelle (74) contribue à délimiter une cavité interne (75) à l'intérieur du profil aérodynamique (61) de l'aube .
  8. 8. Aube selon la revendication 7, dans laquelle la pièce additionnelle (74) comporte, sur sa surface interne délimitant la cavité interne (75), au moins un perturbateur de flux (84).
  9. 9. Distributeur (30A) pour turbomachine, comprenant au moins une aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
  10. 10. Distributeur selon la revendication 9, comprenant en outre au moins une aube (52) comprenant un profil aérodynamique (60) dépourvu de pièce additionnelle.
  11. 11. Turbine basse pression (22) pour turbomachine à double corps, comprenant au moins un distributeur (30A) selon la revendication 9 ou 10.
  12. 12. Turbomachine (10) pour aéronef, comprenant au moins une aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
    S.60678
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