CA2412989C - Perfectionnements apportes au comportement thermique du bord de fuite d'une aube de turbine haute-pression - Google Patents
Perfectionnements apportes au comportement thermique du bord de fuite d'une aube de turbine haute-pression Download PDFInfo
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Abstract
Aube mobile de turbine haute-pression de turbomachine, comprenant au moins un circuit de refroidissement composé d'au moins une cavité s'étendant radialement entre un sommet et un pied de l'aube, d'au moins une ouverture d'admission d'air à une extrémité radiale de la ou les cavités pour alimenter le ou les circuits de refroidissement en air de refroidissement, et d'une pluralité de fentes (26) s'ouvrant dans la ou les cavités et débouchant sur le bord de fuite de l'aube, les fentes étant aménagées le long du bord de fuite, entre le pied et le sommet de l'aube, de façon sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal de l'aube, au moins la fente (28) la plus proche du pied de l'aube présentant une inclinaison vers le sommet de l'aube comprise entre 10° et 30° par rapport à un axe de rotation de l'aube.
Description
Arrière-plan de l'invgntiorl La présente invention se rapporte au domaine général des aubes mobiles de turbine haute-pression d'une turbomachine, et plus particulièrement aux fentes d'évacuation de l'air de refroidissement situées sur le bord de fuite des aubes mobiles d'une turbine haute-pression.
De façon connue en soi, une turbomachine comporte une chambre de combustion dans laquelle de l'air et du carburant sont mélangés avant d'y être brûlés. Les gaz issus de cette combustion s'écoulent vers l'aval dans la chambre de combustion et alimentent ensuite une turbine haute-pression. La turbine haute-pression comporte une ou plusieurs rangées d'aubes mobiles espacées de façon circonférentielle tout autour du rotor de la turbine. Les aubes mobiles de la turbine haute-pression sont ainsi soumises aux températures très élevées des gaz de combustion. Ces températures atteignent des valeurs largement supérieures à celles que peuvent supporter sans dommages les aubes qui sont en contact avec ces gaz, ce qui a pour conséquence de limiter leur durée de vie.
Afin de résoudre ce problème, il est connu de munir ces aubes de circuits de refroidissement internes visant à réduire la température de ces dernières. Grâce à de tels circuits, de l'air de refroidissement, qui est généralement introduit dans l'aube par son pied, traverse celle-ci en suivant un trajet formé par des cavités pratiquées dans l'aube avant d'être éjecté par des fentes s'ouvrant à la surface de l'aube. Plus précisément, ces fentes d'évacuation de l'air de refroidissement sont généralement réparties le long du bord de fuite de l'aube, entre le pied et le sommet de celle-ci, de façon sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal de l'aube.
II est également connu que les aubes de turbine haute-pression équipées de circuits de refroidissement sont réalisées par moulage. Les emplacements des fentes des circuits de refroidissement sont classiquement réservés par des noyaux disposés parallèlement entre eux
De façon connue en soi, une turbomachine comporte une chambre de combustion dans laquelle de l'air et du carburant sont mélangés avant d'y être brûlés. Les gaz issus de cette combustion s'écoulent vers l'aval dans la chambre de combustion et alimentent ensuite une turbine haute-pression. La turbine haute-pression comporte une ou plusieurs rangées d'aubes mobiles espacées de façon circonférentielle tout autour du rotor de la turbine. Les aubes mobiles de la turbine haute-pression sont ainsi soumises aux températures très élevées des gaz de combustion. Ces températures atteignent des valeurs largement supérieures à celles que peuvent supporter sans dommages les aubes qui sont en contact avec ces gaz, ce qui a pour conséquence de limiter leur durée de vie.
Afin de résoudre ce problème, il est connu de munir ces aubes de circuits de refroidissement internes visant à réduire la température de ces dernières. Grâce à de tels circuits, de l'air de refroidissement, qui est généralement introduit dans l'aube par son pied, traverse celle-ci en suivant un trajet formé par des cavités pratiquées dans l'aube avant d'être éjecté par des fentes s'ouvrant à la surface de l'aube. Plus précisément, ces fentes d'évacuation de l'air de refroidissement sont généralement réparties le long du bord de fuite de l'aube, entre le pied et le sommet de celle-ci, de façon sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal de l'aube.
II est également connu que les aubes de turbine haute-pression équipées de circuits de refroidissement sont réalisées par moulage. Les emplacements des fentes des circuits de refroidissement sont classiquement réservés par des noyaux disposés parallèlement entre eux
2 dans le moule avant la coulée du métal. Afin de faciliter cette coulée du métal, la fente d'évacuation de l'air de refroidissement la plus proche du pied de l'aube est généralement réalisée dans des dimensions plus importantes que celles des autres fentes.
Or, dans la pratique, on constate que la fente la plus proche du pied de l'aube est mal refroidie. En effet, à cause des dimensions importantes de cette fente et en raison de la force centrifuge engendrée par la rotation de l'aube, l'air évacué par cette fente à tendance à être dévié vers le sommet de l'aube. II en résulte des gradients thermiques importants au voisinage du bord de fuite qui génèrent, au niveau de cette fente, une crique particulièrement préjudiciable à la durée de vie de l'aube. Ces gradients thermiques importants ont également tendance à se propager par conduction vers une zone de raccordement entre le pied de l'aube et une plate-forme supportant celle-ci.
Obiet et résumé de l'invention La présente invention vise donc à pallier un tel inconvénient en proposant une aube mobile de turbine haute-pression présentant une nouvelle géométrie de la fente d'évacuation de l'air de refroidissement la plus proche du pied de l'aube qui n'engendre pas de crique. L invention vise également à ne pas dégrader la tenue mécanique générale de l'aube, pièce soumise à des contraintes mécaniques trés importantes. Elle vise enfin une turbine haute-pression de turbomachine équipée de telles aubes mobiles.
A cet effet, il est prévu une aube mobile de turbine haute-pression de turbomachine, comprenant au moins un circuit de refroidissement composé d'au moins une cavité s'étendant radialement entre un sommet et un pied de l'aube, d'au moins une ouverture d'admission d'air à une extrémité radiale de la ou les cavités pour alimenter le ou les circuits de refroidissement en air de refroidissement, et d'une pluralité de fentes s'ouvrant dans la ou les cavités et débouchant sur un bord de fuite de l'aube, les fentes étant aménagées le long du bord de fuite, entre le pied et le sommet de l'aube, de façon sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal de l'aube, caractérisée en ce qu'au moins la fente la plus proche du pied de l'aube présente une inclinaison
Or, dans la pratique, on constate que la fente la plus proche du pied de l'aube est mal refroidie. En effet, à cause des dimensions importantes de cette fente et en raison de la force centrifuge engendrée par la rotation de l'aube, l'air évacué par cette fente à tendance à être dévié vers le sommet de l'aube. II en résulte des gradients thermiques importants au voisinage du bord de fuite qui génèrent, au niveau de cette fente, une crique particulièrement préjudiciable à la durée de vie de l'aube. Ces gradients thermiques importants ont également tendance à se propager par conduction vers une zone de raccordement entre le pied de l'aube et une plate-forme supportant celle-ci.
Obiet et résumé de l'invention La présente invention vise donc à pallier un tel inconvénient en proposant une aube mobile de turbine haute-pression présentant une nouvelle géométrie de la fente d'évacuation de l'air de refroidissement la plus proche du pied de l'aube qui n'engendre pas de crique. L invention vise également à ne pas dégrader la tenue mécanique générale de l'aube, pièce soumise à des contraintes mécaniques trés importantes. Elle vise enfin une turbine haute-pression de turbomachine équipée de telles aubes mobiles.
A cet effet, il est prévu une aube mobile de turbine haute-pression de turbomachine, comprenant au moins un circuit de refroidissement composé d'au moins une cavité s'étendant radialement entre un sommet et un pied de l'aube, d'au moins une ouverture d'admission d'air à une extrémité radiale de la ou les cavités pour alimenter le ou les circuits de refroidissement en air de refroidissement, et d'une pluralité de fentes s'ouvrant dans la ou les cavités et débouchant sur un bord de fuite de l'aube, les fentes étant aménagées le long du bord de fuite, entre le pied et le sommet de l'aube, de façon sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal de l'aube, caractérisée en ce qu'au moins la fente la plus proche du pied de l'aube présente une inclinaison
3 vers le sommet de l'aube comprise entre i0° et 30° par rapport à
un axe de rotation de l'aube.
De la sorte, l'air de refroidissement évacué par la fente la plus proche du pied de l'aube est guidé sur toute la surface de la fente de façon à éviter que des criques n'apparaissent au niveau de celle-cï. Cette géométrie particulière de la fente permet d'abaisser de 5% environ la température locale au niveau de cette fente. En outre, la tenue de l'aube aux différentes contraintes mécaniques auxquelles elle est soumise n'est pas détériorée par cette géométrie de la fente.
Avantageusement, I inclinaison de la fente la plus proche du pied de l'aube est d'environ 20°.
Afin d'abaisser la température d'une zone de raccordement entre le pied de l'aube et une plate-forme définissant la veine d'écoulement des gaz de combustion au travers de la turbine haute-pression, l'extrémité amont de la fente la plus proche du pied de l'aube est formée essentiellement dans cette zone de raccordement.
Brève description de~dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures - la figure 1 est une vue en perspective d'une aube mobile de turbine haute-pression selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue agrandie et partielle de la figure 1 montrant la fente d'évacuation de l'air de refroidissement la plus proche du pied de l'aube.
Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 1 représente en perspective une aube mobile 10, par exemple d'une turbine haute-pression d'une turbomachine. Cette aube d'axe longitudinal X-X est fixée sur un disque rotor (non représenté) de la turbine haute-pression par l'intermédiaire d'un emmanchement 12 généralement en forme de sapin. Elle comporte typiquement un pied 14,
un axe de rotation de l'aube.
De la sorte, l'air de refroidissement évacué par la fente la plus proche du pied de l'aube est guidé sur toute la surface de la fente de façon à éviter que des criques n'apparaissent au niveau de celle-cï. Cette géométrie particulière de la fente permet d'abaisser de 5% environ la température locale au niveau de cette fente. En outre, la tenue de l'aube aux différentes contraintes mécaniques auxquelles elle est soumise n'est pas détériorée par cette géométrie de la fente.
Avantageusement, I inclinaison de la fente la plus proche du pied de l'aube est d'environ 20°.
Afin d'abaisser la température d'une zone de raccordement entre le pied de l'aube et une plate-forme définissant la veine d'écoulement des gaz de combustion au travers de la turbine haute-pression, l'extrémité amont de la fente la plus proche du pied de l'aube est formée essentiellement dans cette zone de raccordement.
Brève description de~dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures - la figure 1 est une vue en perspective d'une aube mobile de turbine haute-pression selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue agrandie et partielle de la figure 1 montrant la fente d'évacuation de l'air de refroidissement la plus proche du pied de l'aube.
Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 1 représente en perspective une aube mobile 10, par exemple d'une turbine haute-pression d'une turbomachine. Cette aube d'axe longitudinal X-X est fixée sur un disque rotor (non représenté) de la turbine haute-pression par l'intermédiaire d'un emmanchement 12 généralement en forme de sapin. Elle comporte typiquement un pied 14,
4 un sommet 16, un bord d'attaque 18 et un bord de fuite 20.
L'emmanchement 12 se raccorde au pied 14 de l'aube au niveau d'une plate-forme 22 définissant une paroi pour la veine d'écoulement des gaz de combustion au travers de la turbine haute-pression.
Une telle aube est soumise aux températures très élevées des gaz de combustion et nécessite donc d'être refroidie. A cet effet, et de façon connue en soi, l'aube mobile 10 comporte au moins un circuit de refroidissement interne. Ce circuit de refroidissement se compose par exemple d'au moins une cavité 24 s'étendant radialement entre le pied 14 et le sommet 16 de l'aube. Cette cavité est alimentée en air de refroidissement à l'une de ses extrémités radiales par une ouverture d'admission d'air (non représentée). Cette ouverture d'admission d'air est généralement prévue au niveau de l'emmanchement 12 de l'aube. II est également prévu une pluralité de fentes 26 s'ouvrant dans la cavité 24 et débouchant sur le bord de fuite 20 de l'aube afin d'évacuer l'air de refroidissement s'écoulant dans la cavité. Ces fentes 26 d'évacuation de l'air de refroidissement sont typiquement réparties le long du bord de fuite 20, entre le pied 14 et le sommet 16 de l'aube, de façon sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal X-X de l'aube.
La figure 2 illustre plus précisément la géométrie de la fente 28 la plus proche du pied 14 de l'aube 10. Conformément à l'invention, la fente 28 la plus proche du pied de l'aube présente une inclinaison vers le sommet 16 de l'aube comprise entre ZO° et 30° par rapport à un axe de rotation de l'aube (non représenté). De préférence, l'inclinaison de cette fente est d'environ 20°. Cette inclinaison particulière de la fente 28 la plus proche du pied de l'aube permet d'homogénéiser la température au niveau de celle-ci et ainsi de supprimer tout point chaud. L'air de refroidissement évacué par cette fente recouvre en effet toute la surface de la tente 28 et en abaisse la température locale de 5% environ. Ainsi, tout risque de crique au niveau de cette fente la plus proche du pied de l'aube disparaît et la durée de vie de l'aube s'en trouve rallongée.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'extrémité
amont 28a de la fente 28 la plus proche du pied 14 de l'aube est formée essentiellement dans une zone de raccordement 30 entre le pied 14 de l'aube et la plate-forme 22 du côté de la veine d'écoulement des gaz de combustion de sorte que l'air évacué par celle fente a tendance à venir refroidir par conduction thermique la zone de raccordement 30. La température de la zone de raccordement 30 entre le pied 14 de l'aube et la plate-forme 22 est ainsi abaissée d'environ 1,5%. Afin d'accentuer ce refroidissement de la zone de raccordement 30, les angles vifs de
L'emmanchement 12 se raccorde au pied 14 de l'aube au niveau d'une plate-forme 22 définissant une paroi pour la veine d'écoulement des gaz de combustion au travers de la turbine haute-pression.
Une telle aube est soumise aux températures très élevées des gaz de combustion et nécessite donc d'être refroidie. A cet effet, et de façon connue en soi, l'aube mobile 10 comporte au moins un circuit de refroidissement interne. Ce circuit de refroidissement se compose par exemple d'au moins une cavité 24 s'étendant radialement entre le pied 14 et le sommet 16 de l'aube. Cette cavité est alimentée en air de refroidissement à l'une de ses extrémités radiales par une ouverture d'admission d'air (non représentée). Cette ouverture d'admission d'air est généralement prévue au niveau de l'emmanchement 12 de l'aube. II est également prévu une pluralité de fentes 26 s'ouvrant dans la cavité 24 et débouchant sur le bord de fuite 20 de l'aube afin d'évacuer l'air de refroidissement s'écoulant dans la cavité. Ces fentes 26 d'évacuation de l'air de refroidissement sont typiquement réparties le long du bord de fuite 20, entre le pied 14 et le sommet 16 de l'aube, de façon sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal X-X de l'aube.
La figure 2 illustre plus précisément la géométrie de la fente 28 la plus proche du pied 14 de l'aube 10. Conformément à l'invention, la fente 28 la plus proche du pied de l'aube présente une inclinaison vers le sommet 16 de l'aube comprise entre ZO° et 30° par rapport à un axe de rotation de l'aube (non représenté). De préférence, l'inclinaison de cette fente est d'environ 20°. Cette inclinaison particulière de la fente 28 la plus proche du pied de l'aube permet d'homogénéiser la température au niveau de celle-ci et ainsi de supprimer tout point chaud. L'air de refroidissement évacué par cette fente recouvre en effet toute la surface de la tente 28 et en abaisse la température locale de 5% environ. Ainsi, tout risque de crique au niveau de cette fente la plus proche du pied de l'aube disparaît et la durée de vie de l'aube s'en trouve rallongée.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'extrémité
amont 28a de la fente 28 la plus proche du pied 14 de l'aube est formée essentiellement dans une zone de raccordement 30 entre le pied 14 de l'aube et la plate-forme 22 du côté de la veine d'écoulement des gaz de combustion de sorte que l'air évacué par celle fente a tendance à venir refroidir par conduction thermique la zone de raccordement 30. La température de la zone de raccordement 30 entre le pied 14 de l'aube et la plate-forme 22 est ainsi abaissée d'environ 1,5%. Afin d'accentuer ce refroidissement de la zone de raccordement 30, les angles vifs de
5 l'extrémité amont 28a de la fente 28 sont meulés pour faciliter le guidage de l'air évacué par la fente vers cette zone 30. Par ailleurs, comme l'extrémité aval 28b de la fente 28 la plus proche du pied de l'aube n'est pas formée dans la zone de raccordement 30, la tenue de l'aube 10 aux différentes contraintes mécaniques n'est pas affectée par cette géométrie particulière de la fente.
Claims (5)
1. Aube mobile de turbine haute-pression de turbomachine, comprenant au moins un circuit de refroidissement composé d'au moins une cavité (24) s'étendant radialement entre un sommet (16) et un pied (14) de l'aube (10), d'au moins une ouverture d'admission d'air à une extrémité radiale de la ou les cavités pour alimenter le ou les circuits de refroidissement en air de refroidissement, et d'une pluralité de fentes (26) s'ouvrant dans la ou les cavités et débouchant sur le bord de fuite (20) de l'aube, les fentes étant aménagées le long du bord de fuite, entre le pied et le sommet de l'aube, de façon sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal (X-X) de l'aube, à l'exception d'au moins la fente la plus proche au pied de l'aube qui présente une inclinaison, caractérisée en ce qu'au moins la fente (28) la plus proche du pied de l'aube présente une inclinaison vers le sommet de l'aube comprise entre 10° et 30°
par rapport à un axe de rotation de l'aube.
par rapport à un axe de rotation de l'aube.
2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'inclinaison de la fente (28) la plus proche du pied de l'aube est d'environ 20°.
3. Aube selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'une extrémité amont (28a) de la fente (28) la plus proche du pied de l'aube est formée essentiellement dans une zone de raccordement (30) entre le pied de l'aube et une plate-forme (22) définissant une paroi pour une veine d'écoulement de gaz de combustion au travers de la turbine haute-pression.
4. Aube selon la revendication 3, caractérisée en ce que des angles vifs de l'extrémité amont (28a) de la fente (28) la plus proche du pied de l'aube sont meulés.
5. Turbine haute-pression de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité d'aubes mobiles (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.
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