EP2307157B1 - Procede de fabrication d'une piece d'aubage - Google Patents

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EP2307157B1
EP2307157B1 EP09737069.6A EP09737069A EP2307157B1 EP 2307157 B1 EP2307157 B1 EP 2307157B1 EP 09737069 A EP09737069 A EP 09737069A EP 2307157 B1 EP2307157 B1 EP 2307157B1
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EP
European Patent Office
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cavity
core
casting
blading
blade
Prior art date
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EP09737069.6A
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German (de)
English (en)
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EP2307157A2 (fr
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Damien Alquier
Sébastien Digard Brou de Cuissart
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
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Publication date
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Publication of EP2307157B1 publication Critical patent/EP2307157B1/fr
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    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C21/00—Flasks; Accessories therefor
    • B22C21/12—Accessories
    • B22C21/14—Accessories for reinforcing or securing moulding materials or cores, e.g. gaggers, chaplets, pins, bars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/108—Installation of cores
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    • Y10T29/49339—Hollow blade
    • Y10T29/49341—Hollow blade with cooling passage

Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of metal blades of turbomachines, more particularly parts having internal cavities and holes or orifices making these cavities communicate with the outside of the blades.
  • Such blades are generally manufactured by casting individual blade parts each constituting a blading sector, according to a lost wax casting technique, well known per se.
  • This technique illustrated by the patent FR 2874186 involves the production of a wax model or other equivalent material that includes an internal part forming a foundry core and the cavities of the vane.
  • a wax injection mold is used in which the core is placed and the wax is injected.
  • the wax model is then quenched several times in slips consisting of a suspension of ceramic particles to make a shell mold. We remove the wax and cook the carapace mold.
  • Blading is achieved by casting a molten metal which occupies the voids between the inner wall of the shell mold and the core.
  • a portion of the blades or blades has an internal cavity and a series of holes communicating this cavity with the outside of the blade.
  • This cavity and this series of holes allow the establishment of temperature detection probes, designated probes EGT - 'Exhaust Gas Temperature'.
  • probes EGT - 'Exhaust Gas Temperature' By way of example, for a low pressure distributor of a state-of-the-art turbine engine comprising 18 sectors or vane segments, a blade of each sector comprising 8 vanes is provided with an internal cavity and of a series of holes.
  • the document US 4244222 discloses a turbomachine blade in which is arranged on the leading edge housing for the implantation of a probe.
  • the temperature probes in this particular area of the turbomachine are used to monitor the proper operation and wear of the engine.
  • the cavity of these blades to receive a temperature probe is achieved by the establishment of cores provided with upper and lower pins, forming, during the casting of the metal, orifices in the outer platform and in the inner platform of the room; the orifice of the outer platform is intended to receive or be in communication with the temperature probe, while the orifice of the inner platform serves only to hold the core in place during the casting of the metal, and therefore requires the establishment of a blanking plate, soldered during the finishing of the blading sector.
  • the communication holes between the cavity of the blade of the blade receiving the probe and the outside of the vane are made by drilling / machining (in particular by EDM machining or EDM machining) after casting of the workpiece.
  • the present invention aims to provide a method of manufacturing metal blading parts avoiding these disadvantages.
  • the invention proposes a method of manufacturing a metal blading sector for a low-pressure turbomachine distributor, of which at least one blade comprises an internal cavity intended to receive or communicate with a gas detection probe and at least one hole, formed in the wall, constituting a passage of gas from the base pressure zone of the turbomachine to said cavity and the probe by placing, in a casting mold, a core corresponding to said cavity and casting of a molten metal in the cavity of said casting mold.
  • This method is characterized in that said core comprises, for each communication hole of said cavity, a protuberance penetrating into the inner surface of the mold and constituting the only element for holding the core in the casting mold.
  • this detection probe is preferably a temperature detection probe, more particularly an EGT type temperature detection probe.
  • the process operates more particularly according to a lost wax foundry technique, producing a shell mold in which the core is put in place, the shell mold constituting the casting mold.
  • the base of the protrusions of the casting core comprises a 'racking' or rounded, performing a racking at the base of the taphole, thus avoiding the formation of cracks or other micro cracks not detectable during manufacturing checks during casting.
  • the casting core comprises several protuberances (for example between 3 and 8 protuberances, preferably 5) constituting the only elements for holding the core in the casting mold, while an orifice for the introduction of a probe into the cavity in at least one blade of the blade part is obtained by drilling of said piece in extension of the cavity.
  • a blade part with a blade having a cavity and a plurality of holes (for example between 3 and 8 holes, preferably 5) is obtained.
  • FIG. figure 1 The figures illustrate the manufacture of a blading sector 1 for a low pressure distributor of a turbomachine, as represented in FIG. figure 1 .
  • Sector 1 is composed of blades 4, six on the figure 1 radially arranged between an inner platform 8 and a radially outer platform 7.
  • the two platforms define the gas stream in which the vanes blades guide the gas flow.
  • the sectors once assembled form a distributor wheel.
  • the represented sector is a sector of the low pressure stages of the turbomachine.
  • the blades are full except here a blade whose function is to allow the sampling of gas to ensure the measurement of their temperature. This is the so-called EGT measure.
  • the blade of the first blade on this sector is pierced with orifices (9) putting the gas vein in communication with its internal cavity.
  • FIG 2a schematically representing a foundry model of a blading sector
  • the model of one of the blades is provided with a core 2.
  • the casting core 2 according to current technology (usually ceramic), forms the cavity 3 in the blading sector blade model 1.
  • two orifices 5 and 6 are obtained respectively in the upper and lower platforms 8 of the blading sector 1, while the holes 9 in the wall of the blade make the cavity 3 communicate with the outside of the the blade 4, of a size of approximately 2.2 mm, must be drilled after the casting of the metal, by EDM machining (electroerosion).
  • the upper orifice 5 allows the placement of an EGT probe taking the temperature for the cockpit alarm, while the lower orifice 6 must be plugged by the brazing of a plate 8 '.
  • the core 2 requires, because of its length, a lower outlet to maintain it in the carapace mold. This implies that the orifice 6 thus generated must be plugged and that the core 2 has a fragile protuberance 2 ', represented on the figure 3 , because of the limited space available for the core output at the inner platform 8.
  • the object of the invention is therefore to limit the breakage of cores at the protuberances, to have no more to cover the orifice 6 and to eliminate the drilling operation of the holes 9 after the casting of the workpiece.
  • the holes to be formed in the wall of the blade are used to hold a core 20 in place by means of protuberances 22 on the ceramic core 20.
  • the core according to the invention is represented on the figure 5 . It comprises a tubular portion 21 whose shape corresponds to that of the cavity to be obtained in the blade. A post 23 forms the opening in the upper platform. Distributed along this tubular portion 21, protrusions 22 in the form of rods extend perpendicularly to the axis of the core. These protuberances have a section corresponding to that of the orifices that it is desired to form in the wall of the blade. Their number is equal to that of the orifices to spare.
  • the figure 4a shows the kernel layout in the foundry model.
  • the core 20 is held in place by the protuberances 22 passing through the wall of the model.
  • the figure 4b shows the diagram of a sector obtained after foundry.
  • the vanes 14 are disposed between the platforms, inner 18 and outer 17.
  • a blade has a longitudinal cavity 13 pierced with orifices 19 putting the gas stream in communication with the cavity 13.
  • the cavity 13 has no opening in the inner platform 18.
  • EGT holes Exhaust Gas Temperature
  • the invention therefore consists in using a core 20 shorter than the core 2 of the prior art and comprising protuberances or 'pins' 22 by which it is held in place.
  • protuberances or 'pins' 22 are for example ceramic, but the pins can also be formed of quartz tubes integrated into the core during its injection,
  • the base 22 'of the protuberances 22 of the core 20 has a shelving or rounded so-called' radiated 'form.
  • the shape of the holes 19 thus obtained by casting metal in the mold has a corresponding shelving / rounding 19 ', as illustrated in FIG. figure 7 .
  • This radiated form 19 'of the hole 19 makes it possible to avoid the formation of internal cracks, defects which are practically not detectable by the control during manufacture.
  • the core 20 can also be made without output in the upper platform 17; in this case the maintenance of the core in the mold is obtained only by the protuberances 22 and there is no formation of upper orifice 15.
  • This variant makes it possible to manufacture a single model of distributor vane sectors; only the copies of this single sector which are intended to receive a probe are then modified by piercing an orifice 5 'in the upper platform 17, in communication with the cavity 13.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • La présente invention porte sur la fabrication des aubages métalliques de turbomachines, plus particulièrement de pièces présentant des cavités internes et des trous ou orifices faisant communiquer ces cavités avec l'extérieur des aubages.
  • De tels aubages sont en général fabriqués par coulée de pièces d'aubage individuelles constituant chacune un secteur d'aubage, selon une technique de fonderie à cire perdue, bien connue en soi. Cette technique illustrée par le brevet FR 2874186 passe par la réalisation d'un modèle en cire ou autre matériau équivalent qui comprend une pièce interne formant un noyau de fonderie et figurant les cavités de l'aubage. On utilise pour former le modèle un moule d'injection pour cire dans lequel on place le noyau et on y injecte la cire. Le modèle en cire est ensuite trempé plusieurs fois dans des barbotines constituées d'une suspension de particules en céramique pour confectionner un moule carapace. On élimine la cire et on cuit le moule carapace. On obtient l'aubage en coulant un métal en fusion qui vient occuper les vides entre la paroi intérieure du moule carapace et le noyau.
  • Dans un étage de distributeurs à basse pression de turbomachine, une partie des aubes ou pales comporte une cavité interne et une série de trous faisant communiquer cette cavité avec l'extérieur de l'aube. Cette cavité et cette série de trous permettent la mise en place de sondes de détection de température, désignées sondes EGT - 'Exhaust Gas Temperature'. A titre d'exemple, pour un distributeur basse pression d'une turbomachine type de l'état de l'art, comprenant 18 secteurs ou segments d'aubage, une aube de chaque secteur comprenant 8 aubes est pourvue d'une cavité interne et d'une série de trous.
  • Le document US 4244222 décrit une aube de turbomachine dans laquelle on a aménagé sur le bord d'attaque un logement destiné à l'implantation d'une sonde.
  • Les sondes de températures dans cette zone particulière de la turbomachine servent à la surveillance du bon fonctionnement et de l'usure du moteur.
  • Selon la technique actuelle, la cavité de ces aubages devant recevoir une sonde de température est réalisée par la mise en place de noyaux munis de tenons supérieurs et inférieurs, formant, lors de la coulée du métal, des orifices dans la plate forme extérieure et dans la plateforme intérieure de la pièce ; l'orifice de la plateforme extérieure est destiné à recevoir ou être en communication avec la sonde de température, tandis que l'orifice de la plateforme intérieure ne sert qu'au maintien en place du noyau lors de la coulée du métal, et nécessite donc la mise en place d'une plaquette d'obturation, brasée lors de la finition du secteur d'aubage.
  • Les trous de communication entre la cavité de la pale de l'aube recevant la sonde et l'extérieur de l'aubage sont réalisés par perçage / usinage (notamment par usinage par électroérosion ou usinage EDM) après coulée de la pièce.
  • Cette manière de procéder implique donc une opération additionnelle, qui de surcroît engendre une zone brûlée autour du trou ayant des propriétés mécaniques inadéquates.
  • La présente invention a pour objectif de fournir un procédé de fabrication de pièces d'aubage métalliques évitant ces inconvénients.
  • L'invention propose à cet effet un procédé de fabrication d'un secteur d'aubage métallique pour distributeur basse pression de turbomachine dont une aube au moins comprend une cavité interne destinée à recevoir ou communiquer avec une sonde de détection des gaz et au moins un trou, ménagé dans la paroi, constituant un passage de gaz de la zone base pression de la turbomachine vers ladite cavité et la sonde par la mise en place, dans un moule de coulée, d'un noyau correspondant à ladite cavité et coulée d'un métal fondu dans la cavité dudit moule de coulée. Ce procédé est caractérisé par le fait que ledit noyau comprend, pour chaque trou de communication de ladite cavité, une protubérance pénétrant dans la surface interne du moule et constituant le seul élément de maintien du noyau dans le moule de coulée.
  • Selon l'invention cette sonde de détection constitue, de manière préférée, une sonde de détection de température, plus particulièrement une sonde de détection de température de type EGT.
  • Conformément à un autre aspect préféré de l'invention, le procédé opère plus particulièrement selon une technique de fonderie à cire perdue, en produisant un moule carapace dans lequel le noyau est mis en place, le moule carapace constituant le moule de coulée.
  • Selon encore une particularité préférée de l'invention, la base des protubérances du noyau de coulée comprend un 'rayonnage' ou arrondi, réalisant un rayonnage à la base du trou de coulée, permettant ainsi d'éviter la formation de criques ou autres micro fissures non détectables lors de contrôles à la fabrication, lors de la coulée.
  • Selon encore un autre aspect préféré de l'invention, le noyau de coulée comprend plusieurs protubérances (par exemple entre 3 et 8 protubérances, de préférence 5) constituant les seuls éléments de maintien du noyau dans le moule de coulée, tandis qu'un orifice destiné à l'introduction d'une sonde dans la cavité dans au moins une aube de la pièce d'aubage est obtenu par perçage de ladite pièce en prolongement de la cavité.
  • On obtient de cette manière une pièce d'aubage avec une aube ayant une cavité et plusieurs trous (par exemple entre 3 et 8 trous, de préférence 5).
  • Selon un mode de réalisation particulièrement intéressant de ce dernier aspect préféré de l'invention, il est possible de produire un seul modèle de pièces d'aubage / secteurs d'aubage pour l'ensemble du distributeur, tandis que seuls les secteurs d'aubage destinés à recevoir une sonde sont percés en prolongement de la cavité. Cela permet de réaliser des économies importantes du point de vue du procédé de production et de la gestion des stocks.
  • Le nouveau procédé selon l'invention présente les avantages suivants par rapport au procédé selon la technique existante :
    • une économie résultant de la suppression de l'opération de perçage par électroérosion des trous (cinq) dans l'aubage à cavité interne et une économie résultant de la suppression de rebuts associés à cette opération délicate;
    • la suppression de l'opération de brasage d'une plaquette d'obturation sur le trou de sortie inférieure du noyau actuel.
  • D'autres détails et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de deux modes de réalisation de secteurs d'aubages pour distributeur basse pression d'une turbomachine, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 représente un secteur d'aubage type pour distributeur basse pression d'une turbomachine;
    • les figures 2a et 2b représentent, schématiquement, deux étapes de fabrication d'un secteur d'aubage selon la technique actuelle;
    • la figure 3 représente un noyau de coulée tel qu'utilisé actuellement avant l'invention;
    • les figures 4a et 4b représentent, schématiquement, la fabrication d'un secteur d'aubage selon l'invention;
    • la figure 5 représente un noyau de coulée selon l'invention;
    • la figure 6 montre, en agrandissement, la base rayonnée de l'une des protubérances du noyau selon la figure 5;
    • la figure 7 représente la coupe d'une pale ou aube à cavité et trou, selon l'invention, montrant la forme rayonnée du trou.
  • Les figures illustrent la fabrication d'un secteur d'aubage 1 pour distributeur basse pression d'une turbomachine, tel que représenté à la figure 1. Le secteur 1 est composé d'aubes 4, six sur la figure 1, disposées radialement entre une plateforme intérieure 8 et une plateforme radialement extérieure 7. Les deux plateformes délimitent la veine de gaz dans laquelle les pales des aubes assurent le guidage du flux gazeux. Les secteurs une fois assemblés forment une roue de distributeurs. Le secteur représenté est un secteur des étages à basse pression de la turbomachine. Les pales sont pleines à l'exception ici d'une pale dont la fonction est de permettre le prélèvement de gaz pour assurer la mesure de leur température. Il s'agit de la mesure dite EGT. La pale de la première aube sur ce secteur est percée d'orifices (9) mettant la veine de gaz en communication avec sa cavité interne.
  • Comme l'illustre la figure 2a représentant schématiquement un modèle de fonderie d'un secteur d'aubage, le modèle de l'une des pales est pourvu d'un noyau 2. Le noyau de coulée 2, selon la technologie actuelle (en général en céramique), forme la cavité 3 dans le modèle de la pale du secteur d'aubage 1. Après coulée comme le représente la figure 2b, on obtient deux orifices 5 et 6 dans, respectivement, les plateformes, supérieure 7 et inférieure 8, du secteur d'aubage 1, tandis que les trous 9 dans la paroi de l'aube faisant communiquer la cavité 3 avec l'extérieur de l'aube 4, d'une dimension d'approximativement 2,2 mm, doivent être percés après la coulée du métal, par usinage EDM (électroérosion).
  • L'orifice supérieur 5 permet le placement d'une sonde EGT assurant la prise de température pour l'alarme cockpit, tandis que l'orifice inférieur 6 doit être rebouché par le brasage d'une plaquette 8'.
  • Le noyau 2 selon la technique actuelle nécessite, de part sa longueur, une sortie inférieure pour le maintenir dans le moule carapace. Cela implique comme inconvénients que l'orifice 6 ainsi généré doit être rebouché et que le noyau 2 comporte une protubérance fragile 2', représentée sur la figure 3, en raison du peu de place disponible pour la sortie noyau au niveau de la plate forme intérieure 8.
  • Le but de l'invention est donc de limiter la casse de noyaux au niveau des protubérances, de ne plus avoir à reboucher l'orifice 6 et de supprimer l'opération de perçage des trous 9 après la coulée de la pièce.
  • Comme l'illustrent les figures 4a et 4b, dans le procédé selon l'invention on se sert des trous à former dans la paroi de la pale pour maintenir en place un noyau 20, par l'intermédiaire de protubérances 22 sur le noyau 20 en céramique. Le noyau selon l'invention 20 est représenté sur la figure 5. Il comprend une partie tubulaire 21 dont la forme correspond à celle de la cavité à obtenir dans la pale. Un tenon 23 forme l'ouverture dans la plate forme supérieure. Réparties le long de cette partie tubulaire 21, des protubérances 22 en forme de tiges s'étendent perpendiculairement à l'axe du noyau. Ces protubérances ont une section correspondant à celle des orifices que l'on souhaite former dans la paroi de la pale. Leur nombre est égal à celui des orifices à ménager. La figure 4a montre la disposition du noyau dans le modèle de fonderie. Le noyau 20 est maintenu en place par les protubérances 22 traversant la paroi du modèle. La figure 4b montre le schéma d'un secteur obtenu après fonderie. Les aubes 14 sont disposées entre les plateformes, intérieure 18 et extérieure 17. Une aube présente une cavité longitudinale 13 percée d'orifices 19 mettant la veine de gaz en communication avec la cavité 13. La cavité 13 ne présente pas d'ouverture dans la plateforme intérieure 18.
  • Les trous 19 faisant communiquer la cavité 13 avec l'extérieur de l'aube 4 - appelés trous EGT (Exhaust Gaz Temperature) - sont donc obtenus en fonderie.
  • On élimine ainsi la partie fragile du noyau formée par la protubérance sortant au niveau de la plate forme inférieure, on élimine par la même occasion la nécessité de reboucher l'orifice ainsi engendré et on évite l'opération de perçage des trous EGT, par électroérosion. On évite l'apparition de zones affectées thermiquement (zone brûlée) autour des trous pouvant engendrer un moins bon comportement mécanique. De plus la présence de trous le long de la pale permet d'éliminer plus simplement le noyau, par attaque chimique, de la pièce en métal en l'absence de sortie au niveau de la plate forme inférieure.
  • L'invention consiste donc à utiliser un noyau 20 plus court que le noyau 2 de l'art antérieur et comprenant des protubérances ou 'picots' 22 par lesquels il est maintenu en place. Ceux-ci sont par exemple en céramique, mais les picots peuvent aussi être formés de tubes de quartz intégrés au noyau lors de son injection,
  • Comme l'illustre plus particulièrement la figure 6 qui est une vue agrandie du noyau de la figure 5, la base 22' des protubérances 22 du noyau 20 présente un rayonnage ou arrondi qu'on appelle forme 'rayonnée'.
  • La forme des trous 19 ainsi obtenus par coulée de métal dans le moule présente un rayonnage / arrondi correspondant 19', comme illustré à la figure 7. Cette forme rayonnée 19' du trou 19 permet d'éviter la formation de criques internes, défauts qui ne sont pratiquement pas détectables par le contrôle à la fabrication.
  • Selon une variante de l'invention (non représentée sur les figures) le noyau 20 peut également être réalisé sans sortie dans la plate forme supérieure 17 ; dans ce cas le maintien du noyau dans le moule est obtenu uniquement par les protubérances 22 et il n'y a pas de formation d'orifice supérieur 15.
  • Cette variante permet de fabriquer un seul modèle de secteurs d'aubage de distributeur ; on modifie alors uniquement les exemplaires de ce secteur unique qui sont destinés à recevoir une sonde, en perçant un orifice 5' dans la plate forme supérieure 17, en communication avec la cavité 13.
  • On réalise ainsi des économies supplémentaires du point de vue du procédé de production et de la gestion des stocks.

Claims (8)

  1. Procédé de fabrication d'un secteur d'aubage métallique (1) pour distributeur basse pression de turbomachine dont une aube (14) au moins comprend une cavité interne (13) destinée à recevoir ou communiquer avec une sonde de détection des gaz et au moins un trou (19) ménagé dans la paroi constituant un passage de gaz de la zone base pression de la turbomachine vers ladite cavité (13) et la sonde par la mise en place, dans un moule de coulée, d'un noyau correspondant à ladite cavité (13) et coulée d'un métal fondu dans la cavité dudit moule de coulée, caractérisé par le fait que le noyau (20) comprend, pour chaque trou (19) de communication de ladite cavité (13), une protubérance (22) pénétrant dans la surface interne du moule et constituant le seul élément de maintien du noyau (20) dans le moule de coulée.
  2. Procédé selon la revendication 1, la cavité interne étant agencée pour recevoir ou communiquer avec une sonde de détection de température.
  3. Procédé selon la revendication 2, la cavité interne étant agencée pour recevoir ou communiquer avec une sonde de détection de température de type EGT.
  4. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications précédentes, opérant selon une technique de fonderie à cire perdue, en produisant un moule carapace dans lequel est mis en place ledit noyau (20), ledit moule carapace constituant ledit moule de coulée.
  5. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications précédentes, dont la base desdites protubérances (22) du noyau de coulée (20) comprend un 'rayonnage' ou arrondi (22'), réalisant un rayonnage (19') à la base du trou de coulée (19).
  6. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 5, dont ledit noyau (20) comprend plusieurs protubérances (22),
  7. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 6 selon lequel un orifice destiné à l'introduction de ladite sonde dans ladite cavité (13) dans au moins une aube (14) de ladite pièce d'aubage (1) est réalisé par perçage de ladite pièce obtenue après coulée en prolongement de ladite cavité.
  8. Procédé de fabrication de pièces d'aubages selon la revendication 7, dont un seul modèle de pièces d'aubage (1) est produit pour l'ensemble du distributeur, tandis que seules les pièces d'aubage destinées à recevoir une sonde sont percées en prolongement de ladite cavité.
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