CA2576709A1 - Procede de fabrication de piece de turbomachine comportant des orifices d'evacuation d'air de refroidissement - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur un procédé de réalisation d'orifices d'évacuation de fluide de refroidissement dans la paroi (171) d'une pièce fabriquée selon la technique de la fonderie à la cire perdue avec formation d'un modèle dans un moule à cire, les orifices comportant une première portion (110 E) débouchant à la surface externe (171 ext) de la paroi. Le procédé est caractérisé par le fait qu'il consiste à ménager dans le modèle en cire des cavités correspondant aux premières portions (110 E) desdits orifices de la pièce. On permet ainsi la réalisation d'orifices d'évacuation d'air de refroidissement sans arêtes vives.

Description

CA 02576709 2007-01-26 L5~F71e11! 10:84 Pg : 2/15 La présente invention concerne le refroidissen.ient de pièces de turbomachines par film d'air.

Pour accroitre les performances d'un moteur à turbine à gaz, on est amené
à augmenter la température des gaz en sortie de la chanibre de combustion.
Les pièces du moteur balayées par ces gaz sont alors soumises à des contraintes thermomécaniques élevées. On les protège en faisant circuler de l'air de refroidissement prélevé au compresseur dans des canaux disposés sous la paroi et en évacuant celui-ci dans la veine gazeuse par des orifices de faible diamètre ménagés de manière à former une pellicule de gaz protectrice entre la paroi et le flux de gaz chaud. Les pièces concernées par ce traitement sont essentiellement les secteurs de distributeur, constitués d'uzie ou plusieurs pales radiales entre deux plates-formes en secteurs ] 5 d'anneau déliniitant la veine gazeuse, ainsi que les aubes mobiles des premiers étages de turbine. La tenue mécanique et la durée de vie des pièces s'en trouvent augn-ientées par ce moyen.

Les orifices sont généralement des perçages de forme cylindrique, pratiqués dans des zones appropriées de la paroi à protéger. Afm d'améliorer la formation de la pellicule d'air le long de la paroi, on donne à
ces perçages une forme évasée au niveau de sa surface. Ces trous sont donc constitués de deux parties distinctes : une partie cylindrique calibrant le flux d'air et une partie conformée de naanière à diffuser et orienter le flux d'air afin de favoriser l'écoulement dans la zone de formation de la pellicule de refroidissement. Des exemples de tels orifices sont illustrés dans les brevets US6183199, EP 228338 et US 4197443.

Une méthode de fabrication connue consiste à réaliser ces perçages en deux temps ; on commence par usiner la partie évasée de l'orifice par électroérosion, technique désignée aussi par le sigle EDM pour electrodischarge machining, puis on en perce le fond au moyen d'un faisceau laser, par exemple, pour réaliser un canal cylindrique.

Selon la technique EDM, une électrode est placée à distance de la surface à
éroder et des décharges électriques sont produites entre celle-ci et la pièce.
Ces décharges entraînent des particules de matière et érodent progressivemEnt la surface de la pièce. La forme de la cavité obtenue dépend de la géoniétrie de l'électrode qui peut être tronconique, par exemple à section rectangulaire, ou plus complexe avec des portions CA 02576709 2007-01-26 Ztbllnlier iH:b4 Pg: 3i15

2 arrondies comme on le voit dans les documents US 6.183.199 ou EP228.338. La deuxième partie, calibrée, est réalisée soit avec la même électrode soit au moyen d'un faisceau laser.

On rencontre avec cette technique les problèmes suivants.

L'électrode, quelle que soit sa forme, même si elle permet de réaliser à
l'intérieur de la cavité des portions de paroi arrondies, ne peut empêcher que des arêtes vives subsistent. Ces arêtes sont le siège de concentrations de contraintes et présentent des risques d'amorces de criques.

Pour des raisons principalement économiques, on réalise les orifices en série au moyen d'électrodes découpées dans une plaque et qui sont donc disposées en rangée. Une telle pratique ne perniet pas une optimisation individuelle de la géométrie des orifices en fonction du profil local les environnant.

Il n'est pas possible de réaliser ce type d'orifice dans les zones d'accès réduit. C'est le cas notanzment lorsqu'il s'agit de réaliser des perçages le long des pales d'un secteur de distributeur bipale dans le canal inter aubes.
Comme dans cette zone la forme évasée des orifices est indispensable, il n'est alors pas possible de réaliser des secteurs de distributeur bipales par fonderie en une seule pièce_ On fabrique chaque aubage séparément et on les soude ensemble pour former le secteur de distributeur. Le coût de fabrication est alors plus élevé.

On résout ces problèmes conformément à l'invention, avec un procédé de réalisation d'orifces d'évacuation de fluide de refroidissement dans la paroi d'une pièce fabriquée par la technique de la fonderie à la cire perdue seloii laquelle un modèle de la pièce est réalisé dans un moule à cire, et dont lesdits orifices comportent une première portion débouchant à la surface externe de la paroi. Ce procédé est caractérisé par le fait qu'il consiste à ménager dans le modèle en cire des cavités correspondant aux premières portions des dits orif ces.
De préférence on ménage dans le moule à cire des protubérances de forme complémentaire à celle desdites premières portions, de telle sorte que le modèle présente les dites cavités et que la pièce en sortie de fonderie comporte les dites premières portions préformées.

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3 En réalisant cette portion d'orifice sur le modèle en cire de la pièce, de telle sorte qu'elle soit formée par fonderie, an peut optimiser sa forme aisément pour chaque ét-nission sur le profil de la veine. On peut éviter la mise en oeuvrc lourde et coûteuse de la technique d'électroérosion et une telle méthode est compatible avec la fabrication de secteurs de distributeurs multi-pales de fonderie.

Le plus fréquemment, ladite première portion est de forme évasée mais le procédé de l'invention perrnet tout type de forme.
De préférence, les zones de raccordement entre deux portions de surface non coplanaires des protubérances ont un profil courbe de manière à éviter la formation d'arêtes vives. On dit qu'elles sont rayonnées. Le ou Les rayons de courbure des surfaces rayonnées est ou sont d'au moins 0,1 mm, 15 de préférence 0,2 mm. La courbure de ces surfaces est éventuellement évolutive.
Conformément à une autre caractéristique, on usine dans la pièee venue de fonderie uile seconde portion d'orifice mettant en communication le fond de la première portion avec la surface interne de la paroi. La section de cette seconde portion d'orifice est avantageusement calibrée de manière à
doser le débit d'air. Cette portion est de forme tubulaire à section circulaire ou autre, notamment oblongue, en forme de fente par exemple.

Selon une méthode préférée, l'usinage est effectué au moyen d'un faisceau laser rnais d'autres moyens peuvent être mis en aeuvre.

L'invention couvre également la pièce de turbomachine obtenue selon le procédé et comportant des orifices d'évacuation d'air de refroidissement dont les zones de raccordement des premières portions avec la paroi externe de la pièce sont rayonnées.

On décrit maintenant 1'invention plus en détail en relation avec un mode de réalisation non limitatif illustré sur les dessins atxnexés et sur lesquels La figure 1 montre une aube mobile de turbine refroidie La figure 2 montre une vue en coupe de la paroi au niveau d'un orifice d'évacuation d'air de refroidissenient selon l'art antérieur ;
La figure 3 niontre en coupe un modèle de pièce dans son moule à
cire ;

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~1:' CA 02576709 2007-01-26 L~~nlinf ib:H4 Pg: 5/15

4 Les figures 4 à 6 montrent les étapes de réalisation de trous évasés selon l'invention ;
Les figures 7 et 8 montrent des vues en perspective d'un orifice évasé selon l'invention.
Comnie on le voit sur la figure 1, une aube mobile 1 comprend un pied 3, une plate-forme 5 et une pale 7. L'aube est montée par le pied dans un logement approprié sur la jante d'un disque de turbine_ Lorsqu'elle est de type refroidi, l'aube est creuse et comprend des cavités agencées pour la i c- circulation d'air de refroidissement. Une fraction de cet air est dirigée à
travers la paroi de la pale par des orifices calibrés. Une partie 9 de ces orifices sont de forme simple, tubulaire. D'autres orifices 10 comportent une portion évasée de manière à diriger l'air le long de la paroi et permettre de former un film ou une pellicule de protection de cette dernière. Ces orifices 10 à portion évasée vers l'aval sont par exemple disposés le long du bord d'attaque de la pale sur la face extrados en 10a ou bien le long d'une ligne globalement radiale sur la face intrados de la pale en 10b. Un autre exeinple de rangée d'orifices à portion évasée se trouve le long du bord de fuite sur la face intrados en 10c.
On a représenté sur la figure 2 une vue en coupe selon le plan ü- II de la paroi 71 de la pale à travers un orifice 10. On distingue une première portion évasée 10E débouchant sur la surface externe de la paroi 71 et une portion tubulaire IOT. La section de cette portion IOT détermine le débit de l'air de refroidissetnent à travers 1'orifice. Le jet d'ait est étalé
latéralement dans la partie évasée 10E, et forme une pellicule ensemble avec les autres jets adjacents le long de la paroi de la pale_ En raison de la complexité de sa géométrie et des contraintes therrnomécaniques auxquelles elle doit résister, ce type de pièce est fabriqué par fonderie à la cire perdue. On rappelle ci-après cette technique connue_ On réalise tout d'abord un .modèle en cire ou autre matériau équivalent qui comprend un noyau de fonderie figurant les cavités internes de l'aubage.
Ce noyau est lui-même fabriqué séparénlent et a généralement une forme complexe en plusieurs noyaux élémentaires. On place ce noyau dans un moule à cire et on injecte la cire dans l'espace ménagé entre le noyau et la paroi interne du moule. On obtient le modèle incorporant le noyau ; il est la réplique de la pièce à fondre.

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J"CA--0257-- 67 ..~0~'2007-01-26 Gb/H1/tl! 1N H4 Pg : 6/15 - -=-- -= - ~ - - ''' Un exeniple de pièce, ici une aube de turbine, est représenté sur la figure 3.
Le modèle 20 en circ incorpore un noyau comprenant plusieurs éléments de noyau 21 a à 21d en matériau céramique. Le nioule à cire 30 est ici

5 constitué de deux parties 30a et 30b avec chacune une paroi de moulage 30a' et 30b' correspondant à l'enveloppe de la pièce. Le moule de l'exernple représenté est de forme simple mais selon la complexité de la pièce, il peut corzlprendre de multiples éléments.

Ensuite, on extra.it du moule 30 le modèle en cire 20 et on le trempe dans des barbotines constituées de suspensions de particules céramiques pour l'enrober de couches successives et confectionner un moule carapace.
Après avoir durci le moule par une cuisson, on élin-tine la cire. On obtient la pièce en coulant un métal en fusion qui vient occuper les vides entre la paroi intérieure du moule carapace et le noyau. Grâce à un germe ou un sélecteur approprié et un refroidissement contrôlé, le métal se solidifie selon une structure déterminée. Selon la nature de l'alliage et les propriétés attendues de la pièce résultant de la coulée, il peut s'agir de solidification dirigée à structure colonnaire, de solidification dirigée à structure monocristalline ou de solidification équiaxe respectivement_ Les deux premières familles de pièces concernent des superalliages pour pièces soumises à de fortes contraintes tant thermiques que mécaniques dans le turboréacteur, comnZe les aubes de turbine Hp.

Selon la technique de l'art antérieur, on forrne les trous évasés par usinage de la pièce venue de fonderie. L'orifice que l'on voit sur la figure 2 est obtenu par usinage EDM. On voit en particulier que la zone de =
raccordement entre la surface 71 ext et le trou évasé ] 0E présente une arête 10E1 qu'il n'est pas possible d'éviter. Un usinage de cette partie conduirait au mieux à la réalisation d'un chanfrein mais pas à un arrondi en raison en particulier de la faible dinlension de ce type d'orifice. Les tolérance d'usinage ne permettraient pas un positionnent suffisanunent précis de l'outil par rapport à la zone à usiner.

On propose selon l'invention de réaliser la dite première portion, évasée, des orifices directement sur le modèle en cire. De préférence le moule à
cire cdans lequel la cire est injectée présente l'empreinte des premières portions des orifices.

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6 Sur la figure 4, on a représenté une vue en coupe au niveau de la surface interne 130a' du moule 130a et du modèle à travers une protubérance 132 de moulage d'une première portion conformément à l'invention. Les élérnents de l'invention correspondant à ceux de l'art antérieur ont la même référence augmentée d'une centaine. La protubérance 132 a la forme de la prernière portion que l'on souhaite irnprimer dans !a paroi 120' du modèle 120 en cire. Afin de satisfaire aux contraintes du démoulage, les faces de la protubérance ne comprennent pas de partie formant un angle inférieur à un angle limite de démoulage par rapport à la direction de dérnoulage en cette zoxie, représentée par la flèche D. Lorsque le moule est constitué d'une pluralité d'éléments avec un insert spécifique pour la protubérance ou un groupe de protubérances, il suffit que l'angle soit défini par rapport à la direction de retrait de cet insert. L'emploi d'un insertprésente l'avantage supplémentaire de faciliter la modification du profil des protubérances, par exemple en phase de développement de pièce. Il suffit de changer l'insert seul pour fabriquer une pièce avec le nouveau profil des ouvertures évasées.

La pièce 1.01 venue de fonderie présente dans sa paroi 171 une cavité 110E
correspondant à la forme de la protubérance 132 que l'on a appliquée dans la paroi 120' du modèle en cire 120. Cette cavité 110E constitue la première portion de l'oriflce que l'on souhaite creuser dans la paroi 120'.
On termine la formation des orifices d'évacuation d'air de refroidissement en perçant le fond de la cavité 110E, par faisceau laser par exemple. Ce perçage forme un canal tubulaire 110T. La section de ce canal 1 IT est déterminée par le débit d'air souhaité et sa forme peut être avantageusement circulaire ou oblongue. Ces deux étapes sont illustrées par les figures 5 et 6.

Sur les figures 7 et 8, on voit une réalisation d'orifi.ce 110 d'évacuation d'air de refroidissement qu'il est possible d'obtenir selon le procédë de l'invention dans une paroi -171 qu'il s'agit de refroidir par film d'air. Les différentes portions de surface sont représentées avec des segments de génératrices directrices pour en znontrer le caractère tridimensionnel.
On voit la première portion ] 10E, de forme évasée, débouchant sur la surface externe 171 ext. de la paroi 171. Une seconde portion 110T, tubulaire, est usinée dans le fond la première portion et débouche sur la surface interne 171 int. de la paroi 17 l. La cavité 110E a un fond A, dont la forme vue de dessus, est sensiblement trapézoïdale. La cavité est tour ée -- - - ezb.o~.or io.oY rg. tül5

7 vers l'aval par rapport au sens d'écoulement des gaz. Ce fond est incliné
entre la portion tubulaire 110T et le bord AI de raccordement à la surface extérieure ] 7] ext. de la paroi 171. Les flancs LJ. et L2 de la cavité sont incurvés en forme de secteurs cylindriques L1A et L2A concave, ici à
profil évohrtif. le long de leur zone de raccordement avec le fond A. Les surfaces sont dites rayonnées. Le rayon de courbure de ces surfaces est avantageusement d'au moins 0,1 mm. et varie le long du profil. Les flancs L1 et L2 coniprennent également des portions de surface incurvées LI S et L2S, à profil évolutif, en direction de la surface de la paroi 171ext. Le flanc B de la cavité situé transversalement entre les deux flancs latéraux L 1 et L2 comprend aussi une partie rayonnée BS convexe de raccordement avec la surface extérieure 171ext. de la paroi 171, et des portions rayonnées concaves avec les flancs L1 etL2.

Ces portions de surface rayonnées L1S, L2S et BS sont complémentaires des surfaces de raccordement des protubérances 132 avec la suxface 130a' du moule à cire 130a dans lequel le modèle est moulé. Il suffit de conformer correctement les protubérances pour obtenir une pièce sans arête vive en ces endroits.
Ces portions de raccordement rayonnées présentant un rayon de courbure, par exemple de 0,2 mrn, avec un minimum de 0,1 mm. Elles limitent les corrtraintes thermiques et mécaniques dans ces zones et réduisent les occurrences d'amorce de crique. On améliore ainsi globalement la tenue mécanique de la pièce et sa durée de vie.

C-in autre avantage par rapport à 1'usinage EDM est l'obtention de surfaces présentant une faible rugosité, favorable aérodynamiquement. Par exemple la nigosité Ra par EDM est typiquement de 4,5 m. Obtenir une valeur plus faibl.e est très onéreux. Par le procédé de fonderie on obtient aisément un état de surface plus f n; Ra = 1,2 m par exemple.

On note que la ligne d'intersection de la zone tubulaire 110T avec le fond de la première portion 110 E n'est pas rayonnée dans la mesure où elle est obtenue par usinage.

Claims (11)

1. Procédé de réalisation d'orifices (110) d'évacuation de fluide de refroidissement dans la paroi (171) d'une pièce fabriquée selon la technique de la fonderie à la cire perdue avec formation d'un modèle dans un moule à cire, les orifices comportant une première portion (110E) débouchant à la surface externe (171ext) de la paroi, caractérisé par le fait qu'il consiste à ménager dans le modèle en cire des cavités correspondant aux premières portions (110E) desdits orifices (110) de la pièce, puis à usiner dans la pièce venue de fonderie une seconde portion (110T) d'orifice, mettant en communication le fond de la première portion (110E) d'orifice avec la surface interne de la paroi.

2. Procédé selon la revendication précédente, selon lequel on ménage dans le moule à cire des protubérances (132) ayant une forme complémentaire à celle des dites premières portions, de telle sorte que le modèle présente lesdites cavités et que la pièce en sortie de fonderie comporte les dites premières portions des orifices préformées.

3. Procédé selon la revendication précédente dont les cavités correspondant aux dites premières portions des orifices sont de forme évasée.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dont les zones de raccordement, au moins en partie, ménagées sur les cavités correspondant aux dites premières portions des orifices sont rayonnées.

5. Procédé selon la revendication 2 dont les protubérances (132) sont rayonnées.

6. Procédé selon la revendication 4 dont la zone de raccordement entre les flancs des cavités correspondant aux dites premières portions des orifices, avec la surface externe du modèle est rayonnée.

7. Procédé selon la revendication 4, 5 ou 6 dont le(s) rayon(s) de courbure des surfaces rayonnées est (sont) d'au moins 0,1 mm, de préférence 0,2 mm, le rayon de courbure le long du profil des surfaces rayonnées étant éventuellement évolutif.

8. Procédé selon la revendication 1 dont la seconde portion d'orifice est de forme tubulaire.

9. Procédé selon la revendication, précédente selon lequel l'usinage est effectué au moyen d'un faisceau laser ou par EDM.

10.Pièce de turbomachine obtenue selon le procédé de l'une des revendications précédentes comportant des orifices d'évacuation d'air de refroidissement avec des éléments de paroi, dont les zones de raccordement des éléments de paroi entre eux sont rayonnées.

11.Pièce selon la revendication précédente dont les zones (BS) de raccordement des premières portions d'orifice avec la paroi externe (171 ext) de la pièce sont rayonnées, le(s) rayon(s) de courbure étant d'au moins 0,1 mm.