EP3084131A1 - Aube, roue a aubes et turbomachine; procédé de fabrication de l'aube - Google Patents

Aube, roue a aubes et turbomachine; procédé de fabrication de l'aube

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EP3084131A1
EP3084131A1 EP14827829.4A EP14827829A EP3084131A1 EP 3084131 A1 EP3084131 A1 EP 3084131A1 EP 14827829 A EP14827829 A EP 14827829A EP 3084131 A1 EP3084131 A1 EP 3084131A1
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EP
European Patent Office
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blade
vein
platform
segment
theoretical
Prior art date
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EP14827829.4A
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German (de)
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Sami BENICHOU
Christian Bariaud
Stéphanie DEFLANDRE
Sébastien Digard Brou de Cuissart
Patrick Emilien Paul Emile Huchin
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA Services SA
SNECMA SAS
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Publication date
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    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/81—Modelling or simulation

Definitions

  • the present invention relates to a blade provided for a turbomachine blade wheel comprising N blades arranged around a wheel axle; a first end of the blade having a first platform having a surface, called a vein, on the side of a blade of the blade.
  • N is here an integer equal to the number of vanes contained in the impeller.
  • Such a impeller may be movable and thus receive energy from the flow or impart energy to the flow flowing through the impeller; it can also be fixed; in this case, its role is to channel the flow.
  • the term "vein" designates the surface of a platform of the blade directed towards the blade.
  • a blade for a turbomachine impeller especially when it has a heel and has both a heel vein on the platform of his heel and a foot vein on the platform of his foot, is a piece of complex shape. Its manufacture is therefore relatively difficult, and most often requires the use of molds or tools with multiple parts, and / or possibly the use of five-axis machining centers.
  • blades made essentially by casting (other methods being conceivable), and wherein the platform or platforms are formed integrally with the blade.
  • the object of the invention is therefore to overcome these disadvantages and to propose blades whose manufacture is simplified or facilitated compared to traditional blades.
  • a section in a plane perpendicular to the axis of the vein wheel of the first platform consists essentially of a first line segment on a first side of the blade and a second line segment on the second side of the blade; and the first segment as the second segment each form on each side of the blade an angle of 90 ° - 180 ° / N with respect to the radial direction.
  • the first part of the axial extent of the blade may in particular extend upstream of the blade, or downstream of the blade (while possibly possibly extending also axially to the right of the blade).
  • the first part of the axial extent of the blade can in particular extend upstream beyond the connection fillet of the leading edge of the blade, and / or downstream beyond the connection fillet downstream edge dawn flight.
  • the section of the first blade consists essentially of a segment (can be assume that it is the first segment), which is aligned with the segment constituting essentially the section of the second blade.
  • a section along a plane perpendicular to the axis of the wheel of the first platform veins of the two blades has two line segments aligned, namely the first segment for the first blade and the second segment for the second blade.
  • the first segment and the second segment have adjacent ends.
  • the first and second segments define two vectors, whose projections on a plane perpendicular to the axis of the impeller are symmetrical with respect to a meridian plane of the paddle wheel passing through the blade.
  • the first platform of the veins have a perfect continuity at the interface between adjacent blades.
  • the blade geometry indicated above also implies that the first and the second segment form an acute angle with respect to the outgoing radial direction for the blade.
  • a section along a plane perpendicular to the axis of the wheel of the vein of the first platform consists essentially of a first line segment on a first side of the blade and a second line segment on the second side of the blade; and the first segment as the second segment each form on each side of the blade an angle of 90 ° - 180 ° / N.
  • the second end of the blade comprises a second platform; on a second part of the axial extent of the blade, a section in a plane perpendicular to the axis of the wheel of a vein of the second platform is constituted essentially by a third segment of line on a first side of the blade and a fourth line segment on the second side of the blade; and the third segment as the fourth segment each form on each side of the blade an angle of 90 ° - 180 ° / N with respect to the radial direction.
  • the first part and the second part of the axial extent of the blade are identical.
  • the manufacture of the blade is then particularly simplified.
  • the heel and foot veins are parallel to each other: that is to say that the section of the heel and foot veins in a plane perpendicular to the axis of the wheel, both on the intrados and on the extrados side of the blade, consists essentially of a segment for the heel vein and another segment for the vein of foot, and these two segments are parallel to each other.
  • the first platform has an edge that extends substantially in the extension of a leading edge of the blade, and / or an edge that extends substantially in the extension of an edge of the blade. dawn leaking.
  • the invention also relates to a paddle wheel, comprising N blades as defined above, and a turbomachine, in in particular a double-body turbomachine comprising a low-pressure turbine, comprising such a impeller.
  • a second objective of the invention is to propose a method for modeling a platform vein for a blade, making it possible to define a blade that is particularly easy to manufacture, especially in comparison with the previous blades.
  • a numerical model of the vein is created so that: on a first part of the axial extent of the blade, and possibly over the entire axial extent of the blade, a section of the vein along a plane perpendicular to the axis of the wheel forms essentially a first line segment on a first side of the blade and a second line segment on the second side of the blade, and the first segment as the second segment form on each side of the blade an angle of 90 ° - 180 ° / N with respect to the radial direction; and that the platform of the dawn appears as integrally formed with the blade.
  • the 'radial direction' here designates the radial direction at the level of the blade of the blade.
  • This method makes it possible to obtain the numerical model of a blade as defined above.
  • the method can comprise the following steps:
  • the first construction curve then makes it possible to construct the vein support surface or the vein.
  • the first construction curve may for example be constructed in the following manner: the method may comprise a step during which a theoretical vein surface is determined; then, the first construction curve is determined so that it extends from upstream to downstream of the theoretical blade surface, passing through it from one side to the other, and radially substantially at the same distance of the axis that an intersection between the theoretical blade surface and the theoretical vein surface. Furthermore, preferably, the first construction curve can be determined such that, outside the theoretical blade area, the first construction curve is contained in the theoretical vein surface.
  • the first construction curve such that its intersection with the theoretical surface for the blade is formed exactly by two points.
  • the first construction curve such that for at least one direction, which will be the manufacturing direction mentioned above, in the vicinity of the theoretical surface of the vein, an angle between the normal to the surface theoretical of the blade and said direction is acute or right, as much on the intrados side as extrados.
  • the first construction curve can in particular cross the theoretical surface of the blade at points whose normal is perpendicular to the intended manufacturing direction.
  • the methods of calculation of the first construction curve indicated above make it possible to obtain a first construction curve which constitutes a good support for calculating the vein of the first platform.
  • the first construction curve is then used to calculate the vein.
  • the vein support surface is a surface used to construct the actual vein: on each side of the blade, the vein is created from the vein support surface in particular by limiting operations, in particular by limiting the support surface of the vein.
  • vein at a limiting curve which is the curve defining substantially (to the inter-blade clearance close) the boundary between two adjacent blades.
  • the first construction curve presented above can thus be used to create the vein support surface in different ways.
  • the vein support surface is created by performing the following operations:
  • defining a vein support surface (first vein support surface) by scanning a line segment moving on the basis of the first and second construction curves.
  • the segment on the right moves while remaining at all times in a plane perpendicular to the axis of the wheel.
  • the vein is then created to include a portion of this vein support surface.
  • the vein is obtained from the vein support surface, in particular by limiting it at the level of the limiting curve defining the boundary between adjacent blades.
  • the vein support surface as defined above extends only on one side of the theoretical blade surface, that is to say towards the lower surface or the upper surface.
  • To create a vein support surface on the second side of the theoretical blade surface one can for example perform the following operation:
  • creating a second vein support surface by applying to the first vein support surface a second rotation relative to the axis at an angle of -360 ° / N (the first rotation which was used to construct the second curve construction, and the second rotation, are performed in opposite directions).
  • the vein is then defined so that the latter comprises, axially at the level of at least a portion of the first construction curve, two portions respectively of the first and second vein support surfaces located on both sides. other of the theoretical blade surface.
  • the creation of the vein requires in particular to eliminate from the first and second vein support surface portions of surfaces that should not be part of the vein. These include the or portions of the vein support surfaces that are:
  • the vein is finalized by limiting its area by means of limiting curves, on each side of the blade.
  • the invention also relates to a method for manufacturing a blade for a turbomachine blade wheel, a first end of the blade comprising a first platform having a surface, called a vein, on the side of a blade of the blade; in which a vein modeling method as defined above is used to define the vein, and wherein the first platform is integrally formed with the blade.
  • the blade is preferably formed mainly by casting.
  • the invention also relates to the implementation, using the CATIA (registered trademark) CAD tool, of the vein modeling method as defined above.
  • CATIA registered trademark
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a blade according to the invention.
  • FIG. 2 is a partial schematic perspective view of a turbomachine, showing a paddle wheel comprising blades identical to those illustrated in FIG. - Figure 3 is a schematic perspective view of the numerical model of the blade of Figure 1 being created by the modeling method according to the invention.
  • FIG. 4 is a schematic radial view with respect to the axis of the impeller, numerical model of the blade of Figure 1 being created by the modeling method according to the invention.
  • FIG. 5 is a diagrammatic view along the axis of the impeller of the numerical model of the blade of FIG. 1 being created by the modeling method according to the invention.
  • FIG 1 shows three identical blades 10 which represent an embodiment of the invention. Each of these blades 10 is designed to be assembled with N-1 identical blades 10 to form a blade wheel 100 comprising N blades 10 ( Figure 2).
  • the impeller 100 is itself part of a turbomachine 110.
  • the vanes 10 are mounted on a rotor disk 12 axisymmetrically about the X axis of the wheel.
  • a flow of fluid flows along the X axis from an upstream side to a downstream side of the wheel.
  • the elements connected to the upstream side are denoted by V, and the elements connected to the downstream side are denoted by ⁇ '.
  • Each blade 10 comprises successively, in a radial direction out of the wheel, a foot 14, a blade 16, and a heel 18.
  • the foot 14 and the heel 18 therefore constitute the two ends of the dawn. They comprise respectively a platform 13 and a platform 22. These platforms 13,22 extend in a direction generally perpendicular to the longitudinal direction of the blade 16 (which is the radial direction R for the blade 10).
  • the foot platform 13 has a vein 15, and the heel platform 22 a vein 24.
  • the vein 15 has an approximately rectangular outer contour, delimited by an upstream edge 17u, a downstream edge 17d, a lower surface edge 17ps, an extrados edge 17ss.
  • the vein 15 is composed of two complementary parts: a part 15ps located on the side of the intrados, and a part 15ss located on the extrados side of the blade.
  • the vein 15 is connected to the surface of the blade 16 by connecting surfaces 20 (which are essentially connecting fillet radius evolution).
  • the modeling method used to define the shape of the blade according to the invention will now be presented.
  • This process comprises the following operations:
  • This surface represents the desired outer surface for the blade 16.
  • This surface is a function in particular of the aerodynamic stresses applicable to the blade; it consists of an extrados 30ss and a 30ps intrados, and has a leading edge 36 and a trailing edge 38 (Fig.3).
  • a theoretical foot vein surface 40 and a theoretical heel vein surface 60 are then created or determined. Each of these surfaces has substantially the desired shape for the housing, respectively inner or outer, defining the passage of gas flow through the impeller.
  • the surfaces 40, 60 extend axially upstream and downstream to boundary curves (40U, 40D, 60U, 60D) which axially delimit the extent or the grip of the dawn that is wants to define.
  • the surfaces 40 and 60 are surfaces of revolution defined around the axis A. That being so, theoretical surfaces for the vein that are not surfaces of revolution can also be used within the scope of the invention. invention, for example surfaces leading to the definition of platforms called '3D platforms' and locally involving bumps and / or depressions.
  • a surface of revolution about an axis here designates a surface generated by the rotation of a curve around this axis.
  • the first construction curves 45,65 are created respectively for the platform 13 of the foot 14 and for the platform 22 of the heel 18 of dawn 10.
  • intersection curve 44 is determined between the theoretical blade surface 30 and the theoretical foot vein surface 40.
  • intersection curve 64 between the theoretical blade surface 30 and the theoretical heel vein surface 60 is also determined.
  • Manufacturing directions are then defined. These are defined by a pair of (normalized) vectors Dps, Dss. These vectors define respectively for both sides of the blade directions that allow to define the manufacturing process used for the blade. They define, for example, demolding directions, etc.
  • each of the vectors Dps and Dss makes an angle equal to 90 ° -180 ° / N relative to the radial direction R, where N is the number of vanes in the wheel vane (Fig.5), and the vertex angle (on the X axis) between two adjacent vanes is therefore equal to 360 ° / N.
  • the vectors Dps and Dss are therefore symmetrical to one another with respect to a plane extending in a radial direction (R) traversing the theoretical blade surface 30 and containing the axis X of the impeller.
  • a pair of limit points (U, D) is the pair of points, generally located respectively at the neighborhoods of the leading edge 36 and the trailing edge 38 of the blade, which form part of the intersection curve considered (curve 44), and which divide it into two complementary portions (44ps and 44ss) respectively associated with the vectors Dps and Dss, and such that at any point of each of these portions (44ps and 44ss), the angle between the normal at the theoretical blade surface at the point considered forms an acute or right angle with the associated vector Dps or Dss.
  • the theoretical blade surface has a non-negative clearance relative to the vector Dps, Dss associated with the curve portion.
  • a manufacturing direction is chosen (vector pair D PS and D S s) which thus defines a pair of limit points U, D.
  • the first construction curve 45 for the foot platform is then defined so as to respect the following constraints:
  • the first construction curve 45 therefore comprises:
  • a second construction curve 45ps is created, applying to the first construction curve 45 a rotation of an angle of 360 ° / N with respect to the axis X.
  • the first and second 65.65ps construction curves for the heel platform 22 are then similarly created. d Creation of foot and heel veins
  • the foot vein 15 is first constructed by performing the following operations:
  • a vein support surface 46 is created by scanning a moving line segment while remaining in contact with or in contact with the first construction curve 45 and the second construction curve 45ps.
  • the section of the vein support surface 46 in a plane perpendicular to the X axis is shown in FIG.
  • the section of the vein support surface 46 in a plane perpendicular to the axis is a line segment 48.
  • the surfaces 20 of the connection fillet are first calculated between the theoretical blade surface 30 and the vein support surface 46, on the underside side.
  • the vein support surface 46 is then limited at the end of the connection fillet surfaces.
  • vein support surface extends to the first construction curve 45.
  • the desired limiting curve 52 delimiting the adjacent blade platforms is created or first created.
  • the vein support surface 46 is then divided into two portions 46ps and 46ss separated by the limitation curve 52.
  • the portion 46ss of the vein support surface 46 is then rotated by an angle of -360 ° / N with respect to the X axis; the portion 46ss to which this rotation has been applied is therefore relative to the theoretical blade surface on the extrados side.
  • the vein support surface 46ss is then limited at the end of the connection fillet surfaces. This portion 46ss (located on the extrados side of the theoretical blade surface 30) and the portion 46ps constitute the vein 15 of the platform 13 of the foot 14 of the blade 10.
  • vein 15 In another embodiment, only a portion of the 46ss and 46ps surfaces mentioned above is used to create the vein 15. In addition to this portion of the 46ss and 46ps surfaces, the vein 15 then comprises surfaces other than the surfaces 46ss, 46ps, for example surface portions that are not surfaces of revolution.)
  • the portions 46ss and 46ps of the vein support surface are adjacent and form a projecting edge at the first construction curve 45, that is to say at the level of the curves 45a. and 45d.
  • the sections 48ss and 48ps of the portion support surface portion portions 46ss and 46ps form with respect to the radial direction R an angle equal to 90-180 N (Fig.5).
  • a section along a plane perpendicular to the axis of the wheel of the vein 15 has a first line segment 48PS on a first side of the blade.
  • the heel vein 24 is created in the same way as the foot vein 15.
  • the sections of the vein support surfaces of the heel and foot platforms present, in a plane perpendicular to the X axis, parallel straight segments 48, 68.
  • the theoretical blade surface 30 is limited at the level of the connection fillet 20, the side of the foot. It is similarly limited to the level of fillet 72 created on the side of the heel.
  • the blade 10 can then be manufactured with the geometry defined by the numerical model thus defined.

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Abstract

Aube prévue pour une roue à aubes de turbomachine comprenant N aubes. L'aube présente à une extrémité une plateforme (13) formée intégralement avec une pale de l'aube. Sur une partie de l'étendue axiale de l'aube, une section suivant un plan perpendiculaire à l'axe (X) de la roue de la veine de la plateforme est principalement constituée par deux segments de droite (48ps, 48ss) disposés respectivement sur les deux côtés de la pale. Ces segments forment de part et d'autre de la pale un angle de 90° - 1807N par rapport à la direction radiale.

Description

Aube, roue à aubes et turbomachine ;
procédé de fabrication de l'aube
La présente invention concerne une aube prévue pour une roue à aubes de turbomachine comprenant N aubes agencées autour d'un axe de roue ; une première extrémité de l'aube comportant une première plateforme présentant une surface, dite veine, du côté d'une pale de l'aube. N est ici un nombre entier égal au nombre d'aubes contenu dans la roue à aubes.
Une telle roue à aubes peut être mobile et ainsi recevoir une énergie venant du flux ou communiquer une énergie au flux circulant à travers la roue à aube ; elle peut également être fixe ; dans ce cas, son rôle est de canaliser le flux.
Dans ce qui suit, le terme « veine » désigne la surface d'une plateforme de l'aube dirigée du côté de la pale.
Une aube pour roue à aubes de turbomachine, notamment lorsqu'elle comporte un talon et présente à la fois une veine de talon sur la plateforme de son talon et une veine de pied sur la plateforme de son pied, est une pièce de forme complexe. Sa fabrication est donc relativement difficile, et nécessite le plus souvent l'utilisation de moules ou d'outillages comportant des pièces multiples, et/ou éventuellement le recours à des centres d'usinage cinq axes.
On comprend qu'il s'agit ici d'aubes fabriquées essentiellement par fonderie (d'autres procédés étant envisageables), et dans lesquelles la ou les plateformes sont donc formées intégralement avec la pale.
L'objectif de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients et de proposer des aubes dont la fabrication soit simplifiée ou facilitée par rapport aux aubes traditionnelles.
Cet objectif est atteint, dans une aube du type présenté en introduction et dont la première plateforme est formée intégralement avec la pale, par le fait que sur une première partie de l'étendue axiale de l'aube, une section suivant un plan perpendiculaire à l'axe de la roue de la veine de la première plateforme est constituée essentiellement par un premier segment de droite sur un premier côté de la pale et un second segment de droite sur le deuxième côté de la pale ; et le premier segment comme le deuxième segment forment chacun de part et d'autre de la pale un angle de 90° - 180°/N par rapport à la direction radiale. La première partie de l'étendue axiale de l'aube peut notamment s'étendre en amont de la pale, ou en aval de la pale (tout en pouvant éventuellement s'étendre également axialement au droit de l'aube). La première partie de l'étendue axiale de l'aube peut notamment s'étendre en amont au-delà du congé de raccordement du bord d'attaque de l'aube, et/ou en aval au delà du congé de raccordement aval du bord de fuite de l'aube.
Par suite, lorsque deux aubes telles que définies précédemment sont placées l'une à côté de l'autre (une première aube et une deuxième aube), dans la même position que lorsqu'elles sont assemblées dans une roue à aubes, dans l'espace 'interpales' situé entre les pales des deux aubes, dans un plan perpendiculaire à l'axe de la roue et situé axialement dans la première partie de l'aube, la section de la première aube est constituée essentiellement par un segment (on peut supposer qu'il s'agit du premier segment), qui est aligné avec le segment constituant essentiellement la section de la deuxième aube. Ainsi une section suivant un plan perpendiculaire à l'axe de la roue des veines de première plateforme des deux aubes présente deux segments de droite alignés, à savoir le premier segment pour la première aube et le deuxième segment pour la deuxième aube. De préférence, le premier segment et le deuxième segment ont des extrémités adjacentes.
Les premier et deuxième segment définissent deux vecteurs, dont les projections sur un plan perpendiculaire à l'axe de la roue à aubes sont symétriques par rapport à un plan méridien de la roue à aubes passant par l'aube.
Ces deux vecteurs définissent des 'directions de fabrication' respectivement pour les deux côtés de l'aube. Du fait de la forme droite de la section de la veine de plateforme suivant ces directions de part et d'autre de la pale dans la première partie de l'étendue axiale de l'aube, la veine est relativement simple à fabriquer au moyen de différents procédés de fabrication (moulage, électro-érosion, usinage...).
De plus avantageusement, dans la première partie de l'étendue axiale de l'aube, les veines de première plateforme présentent une parfaite continuité à l'interface entre aubes adjacentes.
La géométrie d'aube indiquée précédemment implique par ailleurs que le premier et le deuxième segment forment un angle aigu par rapport à la direction radiale sortante pour l'aube.
Dans un mode de réalisation, sur toute l'étendue axiale de l'aube, une section suivant un plan perpendiculaire à l'axe de la roue de la veine de la première plateforme est constituée essentiellement par un premier segment de droite sur un premier côté de la pale et un deuxième segment de droite sur le deuxième côté de la pale ; et le premier segment comme le deuxième segment forment chacun de part et d'autre de la pale un angle de 90° - 180°/N.
Dans un mode de réalisation, la deuxième extrémité de l'aube comporte une deuxième plateforme ; sur une deuxième partie de l'étendue axiale de l'aube, une section suivant un plan perpendiculaire à l'axe de la roue d'une veine de la deuxième plateforme est constituée essentiellement par un troisième segment de droite sur un premier côté de la pale et un quatrième segment de droite sur le deuxième côté de la pale ; et le troisième segment comme le quatrième segment forment chacun de part et d'autre de la pale un angle de 90° - 180°/N par rapport à la direction radiale.
De préférence, la première partie et la deuxième partie de l'étendue axiale de l'aube sont identiques.
Dans ce mode de réalisation, la fabrication de l'aube est alors particulièrement simplifiée. En effet, du fait de la géométrie des veines des plateformes d'aube indiquée précédemment, aux extrémités de l'aube les veines de talon et de pied sont parallèles l'une à l'autre : c'est-à-dire que la section des veines de talon et de pied dans un plan perpendiculaire à l'axe de la roue, aussi bien du côté intrados que du côté extrados de l'aube, est constituée essentiellement par un segment pour la veine de talon et un autre segment pour la veine de pied, et ces deux segments sont parallèles l'un à l'autre.
Ainsi de chaque côté de l'aube, les directions de fabrication du côté du talon et du côté du pied sont parallèles. Le procédé de fabrication, et donc généralement l'outillage de fabrication, peuvent donc être relativement simples.
Dans un mode de réalisation, la première plateforme présente une arête qui s'étend sensiblement dans le prolongement d'un bord d'attaque de l'aube, et/ou une arête qui s'étend sensiblement dans le prolongement d'un bord de fuite de l'aube.
Il s'est avéré que la présente d'une arête à cet ou ces emplacements ne perturbe pas excessivement l'écoulement du fluide autour de l'aube, mais permet d'utiliser des outillages de forme simple pour la fabrication de l'aube.
L'invention concerne également une roue à aubes, comprenant N aubes telles que définies précédemment, ainsi qu'une turbomachine, en particulier une turbomachine double corps comprenant une turbine basse pression, comportant une telle roue à aubes.
Un deuxième objectif de l'invention est de proposer un procédé de modélisation d'une veine de plateforme pour une aube, permettant de définir une aube particulièrement facile à fabriquer, notamment en comparaison par rapport aux aubes antérieures.
Cet objectif est atteint lorsque la modélisation de la veine d'aube est faite en suivant l'étape ci-dessous :
. à l'aide d'un ordinateur, on crée un modèle numérique de la veine de telle sorte que : sur une première partie de l'étendue axiale de l'aube, et éventuellement sur toute l'étendue axiale de l'aube, une section de la veine suivant un plan perpendiculaire à l'axe de la roue forme essentiellement un premier segment de droite sur un premier côté de la pale et un second segment de droite sur le deuxième côté de la pale, et le premier segment comme le deuxième segment forment chacun de part et d'autre de la pale un angle de 90° - 180°/N par rapport à la direction radiale ; et que la plateforme de l'aube apparaît comme formée intégralement avec la pale.
La 'direction radiale' désigne ici la direction radiale au niveau de la pale de l'aube.
Ce procédé permet d'obtenir le modèle numérique d'une aube telle que définie précédemment.
Pour permettre la création du modèle numérique de la veine de la première plateforme de l'aube, le procédé peut comprendre les étapes suivantes :
on détermine une surface théorique pour la pale, référencée par rapport à un axe de la roue à aubes ;
on définit une première courbe de construction pour l'aube.
La première courbe de construction permet alors de construite la surface support de veine ou la veine.
La première courbe de construction peut par exemple être construite de la manière suivante : le procédé peut comprendre une étape durant laquelle on détermine une surface théorique de veine ; puis, on détermine la première courbe de construction de telle sorte que celle-ci s'étende de l'amont à l'aval de la surface théorique de pale en traversant celle-ci de part en part, et soit radialement sensiblement à même distance de l'axe qu'une intersection entre la surface théorique de pale et la surface théorique de veine. En outre, de préférence, on peut déterminer la première courbe de construction de telle sorte qu'à l'extérieur de la surface théorique de pale, la première courbe de construction soit contenue dans la surface théorique de veine.
Ces dispositions permettent de manière simple de définir la première courbe de construction de telle sorte que la veine créée soit proche de la surface théorique pour la veine. Cette surface est la surface de veine qui est calculée pour avoir, en principe, une performance aérodynamique idéale. Par suite, la veine calculée présente des performances aérodynamiques de bon niveau.
De plus, on peut de préférence définir la première courbe de construction de telle sorte que son intersection avec la surface théorique pour la pale soit constituée exactement par deux points.
De plus, on peut de préférence définir la première courbe de construction de telle sorte que pour au moins une direction, qui sera la direction de fabrication citée précédemment, au voisinage de la surface théorique de la veine, un angle entre la normale à la surface théorique de la pale et ladite direction est aigu ou droit, tant du côté intrados qu'extrados.
Pour respecter ce critère, la première courbe de construction peut notamment traverser la surface théorique de la pale en des points dont la normale est perpendiculaire à la direction de fabrication envisagée.
Les modes de calcul de la première courbe de construction indiqués précédemment permettent d'obtenir une première courbe de construction qui constitue un bon support pour calculer la veine de la première plateforme.
La première courbe de construction est alors exploitée pour calculer la veine.
Différentes méthodes peuvent permettre de créer la veine.
On peut par exemple créer d'abord une surface 'support de veine' définie de telle sorte que sur toute l'étendue axiale de la première courbe de construction, une section de la surface support de veine suivant un plan perpendiculaire à l'axe soit constituée par un segment de droite.
La surface support de veine est une surface servant à construite la veine proprement dite : sur chaque côté de la pale, la veine est créée à partir de la surface support de veine notamment par des opérations de limitation, en particulier en limitant la surface support de veine au niveau d'une courbe de limitation qui est la courbe définissant sensiblement (au jeu inter-aubes près) la limite entre deux aubes adjacentes. La première courbe de construction présentée précédemment peut ainsi servir à créer la surface support de veine de différentes manières.
Dans un mode de mise en œuvre, la surface support de veine est créée en effectuant les opérations suivantes :
. on définit une deuxième courbe de construction pour l'aube, en appliquant à la première courbe de construction une rotation d'angle 360°/N autour de l'axe de la roue ; et,
. on définit une surface support de veine (première surface support de veine) par balayage d'un segment de droite se déplaçant en s'appuyant sur les première et deuxième courbe de construction.
Le terme 's'appuyant sur' signifie ici que le segment de droite est à chaque instant en contact avec les deux courbes de construction.
Le segment de droite se déplace en restant à tout instant dans un plan perpendiculaire à l'axe de la roue.
La veine est alors créée de manière à inclure une portion de cette surface support de veine. La veine est obtenue à partir de la surface support de veine notamment en limitant celle-ci au niveau de la courbe de limitation définissant la limite entre aubes adjacentes.
Du fait de sa construction par balayage d'un segment de droite se déplaçant en appui sur les première et deuxième courbe de construction, sur toute l'étendue axiale (par rapport à l'axe de la roue à aubes) des courbes de construction la section de la surface support de veine suivant un plan perpendiculaire à cet axe est constituée par un segment de droite.
Par construction, la surface support de veine telle que définie précédemment s'étend uniquement sur un côté de la surface théorique de pale, c'est-à-dire vers l'intrados ou vers l'extrados. Pour créer une surface support de veine sur le deuxième côté de la surface théorique de pale, on peut par exemple réaliser l'opération suivante :
on crée une deuxième surface support de veine en appliquant à la première surface support de veine une deuxième rotation par rapport à l'axe, d'un angle de -360°/N (la première rotation, qui a servi à construire la deuxième courbe de construction, et la deuxième rotation, sont effectuées dans des sens opposés).
On définit alors la veine de telle sorte que celle-ci comporte, axialement au niveau d'au moins une partie de la première courbe de construction, deux portions respectivement de la première et de la deuxième surface support de veine situées de part et d'autre de la surface théorique de pale. La création de la veine nécessite notamment d'éliminer de la première et la deuxième surface support de veine les portions de surfaces qui ne doivent pas faire partie de la veine. Il s'agit notamment de la ou les portions des surfaces support de veine qui sont :
- situées à l'intérieur de la surface théorique de pale et/ou
- situées entre celle-ci et des congés de raccordement reliant celle-ci à l'une des surfaces théorique de support de veine.
La veine est finalisée en limitant sa surface au moyen des courbes de limitation, de chaque côté de la pale.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une aube pour roue à aubes de turbomachine, une première extrémité de l'aube comportant une première plateforme présentant une surface, dite veine, du côté d'une pale de l'aube ; dans lequel on utilise, pour définir la veine, un procédé de modélisation de veine de plateforme tel que défini précédemment, et suivant lequel la première plateforme est formée intégralement avec la pale.
Dans ce procédé, l'aube est formée de préférence principalement par fonderie.
L'invention concerne également la mise en œuvre, en utilisant l'outil de CAO CATIA (marque déposée), du procédé de modélisation de veine tel que défini précédemment.
Elle concerne enfin un programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution par ordinateur des étapes du procédé de modélisation de veine tel que défini précédemment, un support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur tel que défini précédemment, et un ordinateur comportant un support d'enregistrement tel que défini précédemment. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
- La figure 1 est une vue schématique en perspective d'une aube selon l'invention.
- La figure 2 est une vue schématique partielle en perspective d'une turbomachine, montrant une roue à aubes comportant des aubes identiques à celles illustrées par la figure 1. - La figure 3 est une vue schématique en perspective du modèle numérique de l'aube de la figure 1 en cours de création par le procédé de modélisation selon l'invention.
- La figure 4 est une vue schématique radiale par rapport à l'axe de la roue à aubes, du modèle numérique de l'aube de la figure 1 en cours de création par le procédé de modélisation selon l'invention.
- La figure 5 est une vue schématique suivant l'axe de la roue à aubes, du modèle numérique de l'aube de la figure 1 en cours de création par le procédé de modélisation selon l'invention.
La figure 1 représente trois aubes 10 identiques qui représentent un mode de réalisation de l'invention. Chacune de ces aubes 10 est conçue pour être assemblée avec N-l aubes 10 identiques, de manière à former une roue à aubes 100 comprenant N aubes 10 (Fig. 2).
La roue à aubes 100 fait elle-même partie d'une turbomachine 110.
Dans la roue 100, les aubes 10 sont montées sur un disque rotor 12 de manière axisymétrique autour de l'axe X de la roue. Lorsque la roue est exploitée, un flux de fluide s'écoule suivant l'axe X d'un côté amont à un côté aval de la roue.
Dans ce qui suit, les éléments liés au côté amont sont notés V, et les éléments liés au côté aval sont notés Ό'.
Chaque aube 10 comporte successivement, suivant une direction radiale sortante de la roue, un pied 14, une pale 16, et un talon 18.
Le pied 14 et le talon 18 constituent donc les deux extrémités de l'aube. Ils comportent respectivement une plateforme 13 et une plateforme 22. Ces plates-formes 13,22 s'étendent dans une direction globalement perpendiculaire à la direction longitudinale de la pale 16 (qui est la direction radiale R pour l'aube 10).
La plateforme 13 de pied présente une veine 15, et la plateforme 22 de talon une veine 24.
Suivant une vue radiale, la veine 15 présente un contour externe approximativement rectangulaire, délimité par un bord amont 17u, un bord aval 17d, un bord d'intrados 17ps, un bord d'extrados 17ss.
La veine 15 est composée de deux parties complémentaires : une partie 15ps située du côté de l'intrados, et une partie 15ss située du côté de l'extrados de la pale. La veine 15 est reliée à la surface de la pale 16 par des surfaces de raccordement 20 (qui sont sensiblement des congés de raccordement à rayon évolutif). Le procédé de modélisation utilisé pour définir la forme de l'aube 10 conformément à l'invention va maintenant être présenté.
Ce procédé comporte les opérations suivantes :
a) Détermination de la surface théorique de pale
b) Détermination de la surface théorique de veine
c) Définition des courbes de construction pour l'aube
d) Création de la veine.
Ces opérations sont réalisées sur ordinateur, à l'aide d'un programme de conception assistée par ordinateur comme par exemple le logiciel CATIA (Marque déposée) de la société Dassault Systèmes.
Les différentes opérations de création indiquées ci-après sont donc des opérations de création d'entités tridimensionnelles, qui sont définies dans un environnement ou un espace tridimensionnel virtuel. a) Détermination d'une surface théorique de pale
On crée tout d'abord une surface théorique 30 de pale. Cette surface représente la surface externe souhaitée pour la pale 16. Cette surface est fonction notamment des contraintes aérodynamiques applicables à la pale ; elle est constituée par un extrados 30ss et un intrados 30ps, et présente un bord d'attaque 36 et un bord de fuite 38 (Fig.3). b Détermination des surfaces théoriques de veine
On crée ou on détermine ensuite une surface théorique 40 de veine de pied et une surface théorique 60 de veine de talon. Chacune de ces surfaces a sensiblement la forme souhaitée pour le carter, respectivement intérieur ou extérieur, délimitant le passage de circulation de gaz à travers la roue à aubes.
Les surfaces 40, 60 s'étendent axialement vers l'amont et l'aval jusqu'à des courbes limites (40U, 40D, 60U, 60D) qui délimitent axialement l'étendue ou l'emprise de l'aube que l'on souhaite définir.
Dans l'exemple présenté, les surfaces 40 et 60 sont des surfaces de révolution définies autour de l'axe A. Cela étant, des surfaces théoriques pour la veine qui ne sont pas des surfaces de révolution peuvent également être utilisées dans le cadre de l'invention, par exemple des surfaces conduisant à définir des plateformes dites 'plateformes 3D' et comportant localement des bosses et/ou des creux.
Une surface de révolution autour d'un axe désigne ici une surface engendrée par la rotation d'une courbe autour de cet axe. c) Création des courbes de construction pour l'aube
Après avoir défini les entités support que sont les surfaces théoriques de pale (30) et de veine (40,60), on crée les premières courbes de construction 45,65 respectivement pour la plateforme 13 du pied 14 et pour la plateforme 22 du talon 18 de l'aube 10.
Pour cela, on détermine la courbe d'intersection 44 entre la surface théorique de pale 30 et la surface théorique 40 de veine de pied.
On détermine également la courbe d'intersection 64 entre la surface théorique de pale 30 et la surface théorique 60 de veine de talon.
On définit ensuite des directions de fabrication. Celles-ci sont définies par un couple de vecteurs (normés) Dps, Dss. Ces vecteurs définissent respectivement pour les deux côtés de la pale des directions qui permettent à définir le procédé de fabrication utilisé pour la pale. Ils définissent par exemple des directions de démoulage, etc.
En vue suivant l'axe X de la roue à aubes, chacun des vecteurs Dps et Dss fait un angle a égal à 90° - 180°/N par rapport à la direction radiale R, N étant le nombre d'aubes dans la roue à aubes (Fig.5), et l'angle au sommet (sur l'axe X) entre deux aubes adjacentes étant donc égal à 360°/N.
Par contraste, en projection dans un plan perpendiculaire à la direction radiale, les vecteurs Dps et Dss sont orientés dans des directions opposées (Fig. 4).
Les vecteurs Dps et Dss sont donc symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan s'étendant suivant une direction radiale (R) traversant la surface théorique de pale 30 et contenant l'axe X de la roue à aubes.
La détermination des directions de fabrication (vecteurs Dps et Dss) et de la première courbe de construction 45 pour la plateforme de pied 13 va maintenant être présentée en détail, la même méthode étant utilisée ensuite pour déterminer la première courbe de construction 65 pour la plateforme de talon 22.
Pour une courbe d'intersection donnée entre la surface théorique de pale et une surface théorique de veine (dans le cas présent, la courbe d'intersection est la courbe 44), à chaque direction de fabrication (définie par le couple de vecteurs Dps, Dss) correspond un couple de points (U,D) dits 'points limites' qui se définit de la manière suivante :
Un couple de points limites (U,D) est le couple de points, généralement situés respectivement aux voisinages du bord d'attaque 36 et du bord de fuite 38 de l'aube, qui font partie de la courbe d'intersection considérée (courbe 44), et qui divisent celle-ci en deux portions complémentaires (44ps et 44ss) associées respectivement aux vecteurs Dps et Dss, et telles qu'en tout point de chacune de ces portions (44ps et 44ss), l'angle entre la normale à la surface théorique de pale au point considéré forme un angle aigu ou droit avec le vecteur Dps ou Dss associé.
En d'autres termes, en chaque point de l'une de ces portions de courbe, la surface théorique de pale présente une dépouille non négative par rapport au vecteur Dps, Dss associé à la portion de courbe.
Cela entraîne en général qu'en vue radiale (Fig.4), la tangente à la courbe d'intersection (à la courbe 44) aux points limites (U,D) est parallèle à la direction de fabrication (Dps, Dss), comme illustré sur la figure 4.
On choisit une direction de fabrication (couple de vecteurs DPS et DSs) ce qui définit donc un couple de points limites U,D.
On définit alors la première courbe de construction 45 pour la plateforme de pied de manière à respecter les contraintes suivantes :
- la courbe 45 doit passer par les points limites U et D ;
- elle doit se prolonger en amont et en aval jusqu'aux courbes limites amont et aval respectives 40U et 40D de la surface théorique de veine 40 ; et
- elle doit relier les points U et D sans traverser la surface théorique de pale 30 entre ces points.
La première courbe de construction 45 comporte donc :
- une partie 45i à l'intérieur de la courbe 44, dont les extrémités sont les points U et D. En vue radiale (Fig.4), cette partie de courbe 45i s'étend à l'intérieur de la courbe 44.
- deux portions de courbe, 45u et 45d, qui sont formées sur la surface théorique de veine de pied 40 respectivement du point U à la courbe 40u et du point D à la courbe 40d.
Ensuite, on crée une deuxième courbe de construction 45ps, en appliquant à la première courbe de construction 45 une rotation d'un angle de 360°/N par rapport à l'axe X. Les première et deuxième courbes de construction 65,65ps pour la plateforme de talon 22 sont ensuite créées de manière analogue. d Création des veines de pied et de talon
La veine de pied 15 est d'abord construite en réalisant les opérations suivantes :
. on crée une surface support de veine 46 en réalisant un balayage d'un segment de droite se déplaçant tout en restant en appui ou en contact avec la première courbe de construction 45 et la deuxième courbe de construction 45ps.
La section de la surface support de veine 46 dans un plan perpendiculaire à l'axe X est représentée sur la figure 5.
Du fait de la construction de la surface 46 par balayage d'un segment de droite entre les deux courbes 45 et 45ps, sur toute l'étendue axiale de la courbe 45, la section de la surface support de veine 46 suivant un plan perpendiculaire à l'axe est un segment de droite 48.
. on crée alors la veine 15.
Pour cela, on calcule d'abord les surfaces 20 des congés de raccordement entre la surface théorique de pale 30 et la surface support de veine 46, du côté de l'intrados.
On limite alors la surface support de veine 46 à l'extrémité des surfaces 20 de congés de raccordement.
En amont et en aval de la surface théorique de pale 30, la surface support de veine s'étend jusqu'à la première courbe de construction 45.
On se donne ensuite ou on crée d'abord la courbe de limitation 52 souhaitée délimitant les plateformes d'aubes adjacentes. On divise alors la surface support de veine 46 en deux portions 46ps et 46ss séparées par la courbe de limitation 52.
On applique alors à la portion 46ss de la surface support de veine 46 une rotation d'un angle de -360°/N par rapport à l'axe X ; la portion 46ss à laquelle a été appliquée cette rotation se situe donc par rapport à la surface théorique de pale du côté extrados.
On calcule d'abord les surfaces 20 des congés de raccordement entre la surface théorique de pale 30 et la surface support de veine 46ss, du côté de l'extrados.
On limite alors la surface support de veine 46ss à l'extrémité des surfaces 20 de congés de raccordement. Cette portion 46ss (située du côté de l'extrados de la surface théorique de pale 30) et la portion 46ps constituent la veine 15 de la plateforme 13 du pied 14 de l'aube 10.
(Dans un autre mode de réalisation, une portion seulement des surfaces 46ss et 46ps citées ci-dessus est utilisée pour créer la veine 15. En complément de cette portion des surfaces 46ss et 46ps, la veine 15 comprend alors des surfaces autres que les surfaces 46ss, 46ps, par exemple des portions de surface qui ne sont pas des surfaces de révolution.)
En amont et en aval de la pale 16, les portions 46ss et 46ps de la surface support de veine sont adjacentes et forment une arête saillante au niveau de la première courbe de construction 45, c'est-à-dire au niveau des courbes 45u et 45d.
Inversement, au niveau de la courbe de limitation 52, les surfaces adjacentes 46ps et 46ss sont en parfaite continuité.
Par construction, de part et d'autre de la surface théorique de pale 30, les sections 48ss et 48ps des portions de surface support de veine portion 46ss et 46ps forment par rapport à la direction radiale R un angle a égal à 90-180 N (Fig.5).
Il s'ensuit d'autre part que, sur toute l'étendue axiale de l'aube, une section suivant un plan perpendiculaire à l'axe de la roue de la veine 15 présente un premier segment de droite 48PS sur un premier côté de la pale et un second segment de droite 48Ss sur le deuxième côté de la pale ; ces premier et deuxième segments 48ss,48Ps forment chacun de part et d'autre de la pale un angle de 90° - 180°/l\l par rapport à la direction radiale R.
La veine de talon 24 est créée de la même manière que la veine de pied 15.
Par suite, les sections des surfaces support de veine des plateformes de talon et de pied présentent dans un plan perpendiculaire à l'axe X des segments de droite parallèles 48, 68.
La surface théorique de pale 30 est limitée au niveau des congés de raccordement 20, du côté du pied. Elle est limitée de la même manière au niveau de congés de raccordement 72 créés du côté du talon.
Le modèle numérique de l'aube complet est alors finalisé en intégrant dans celui-ci notamment les veines 15 et 24, les congés de raccordement 20 et 72, et la surface théorique de pale 30, une fois les limitations apportées.
L'aube 10 peut alors être fabriquée avec la géométrie définie par le modèle numérique ainsi défini.

Claims

REVENDICATIONS
1. Aube (10) prévue pour une roue à aubes (100) de turbomachine comprenant N aubes agencées autour d'un axe de roue (X) ;
une première extrémité de l'aube comportant une première plateforme (13) présentant une surface (15), dite veine, du côté d'une pale (14) de l'aube ;
l'aube se caractérisant en ce que la première plateforme est formée intégralement avec la pale, et en ce que sur une première partie de l'étendue axiale de l'aube, une section suivant un plan perpendiculaire à l'axe (X) de la roue de la veine de la première plateforme est constituée essentiellement par un premier segment de droite (48ps) sur un premier côté de la pale et un second segment de droite (48ss) sur le deuxième côté de la pale ; et le premier segment comme le deuxième segment forment chacun de part et d'autre de la pale un angle (a) de 90° - 180°/l\l par rapport à la direction radiale (R).
2. Aube suivant la revendication 1, dans laquelle sur toute l'étendue axiale de l'aube, une section suivant un plan perpendiculaire à l'axe de la roue de la veine (15) de la première plateforme (13) est constituée essentiellement par un premier segment de droite (48ps) sur un premier côté de la pale et un deuxième segment de droite (48ss) sur le deuxième côté de la pale ; et le premier segment comme le deuxième segment forment chacun de part et d'autre de la pale un angle de 90° - 180°/N par rapport à la direction radiale.
3. Aube suivant la revendication 1 ou 2, dans laquelle la deuxième extrémité de l'aube comporte une deuxième plateforme (22) ;
sur une deuxième partie de l'étendue axiale de l'aube, une section suivant un plan perpendiculaire à l'axe de la roue d'une veine (24) de la deuxième plateforme est constituée essentiellement par un troisième segment de droite sur un premier côté de la pale et un quatrième segment de droite sur le deuxième côté de la pale ; et
le troisième segment comme le quatrième segment forment chacun de part et d'autre de la pale un angle de 90° - 180°/l\l par rapport à la direction radiale.
4. Aube suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, dont la première plateforme (13) présente une arête (45u,45d) qui s'étend sensiblement dans le prolongement d'un bord d'attaque (36) de l'aube, et/ou une arête qui s'étend sensiblement dans le prolongement d'un bord de fuite (38) de l'aube.
5. Aube suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle ladite première partie de l'étendue axiale de l'aube s'étend en amont de la pale et/ou en aval de la pale.
6. Roue à aubes (100), comprenant un nombre N d'aubes (10) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5.
7. Turbomachine (110) comportant une roue à aubes (100) selon la revendication 6, en particulier une turbomachine double corps comprenant une turbine basse pression.
8. Procédé de modélisation d'une veine de plateforme (15) pour une aube, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape suivante :
à l'aide d'un ordinateur, on crée un modèle numérique de la veine (15) de telle sorte que
sur une première partie de l'étendue axiale de l'aube, une section de la veine suivant un plan perpendiculaire à l'axe (X) de la roue comporte un premier segment de droite (48ps) sur un premier côté d'une pale de l'aube et un second segment de droite (48ss) sur le deuxième côté de la pale, et le premier segment comme le deuxième segment forment chacun de part et d'autre de la pale un angle de 90° - 180°/N par rapport à la direction radiale ; et que la plateforme de l'aube apparaît comme formée intégralement avec la pale.
9. Procédé de modélisation selon la revendication 8, dans lequel ladite première partie de l'étendue axiale de l'aube s'étend en amont de la pale et/ou en aval de la pale.
10. Procédé de modélisation selon la revendication 8 ou 9, comportant en outre les étapes suivantes :
on détermine une surface théorique pour la pale (30), référencée par rapport à un axe de la roue à aubes ; on définit une première courbe de construction (45) pour l'aube ;
on définit une deuxième courbe de construction (45ps) en appliquant à la première courbe de construction une rotation d'angle 360°/N autour de l'axe de la roue ;
et dans lequel pour créer la veine, on crée une surface support de veine (46) par balayage d'un segment de droite se déplaçant en s'appuyant sur les première et deuxième courbe de construction (45,45ps) ; et la veine est créée de manière à inclure une portion de ladite surface support de veine délimitée par une courbe de limitation qui définit sensiblement une limite entre deux aubes adjacentes.
11. Procédé de modélisation selon la revendication 10, comprenant en outre l'étape suivante :
on détermine une surface théorique pour la veine (46) ;
et dans lequel on détermine ensuite la première courbe de construction (45) de telle sorte que celle-ci s'étende d'un amont à un aval de la surface théorique de pale (30) en traversant celle-ci de part en part, et soit radialement sensiblement à même distance de l'axe (X) qu'une intersection (44) entre la surface théorique de pale et la surface théorique de veine.
12. Procédé de modélisation selon la revendication 11, dans lequel on détermine la première courbe de construction (45) de telle sorte qu'à l'extérieur de la surface théorique de pale (30), la première courbe de construction soit contenue dans la surface théorique de veine (40).
13. Procédé de fabrication d'une aube pour roue à aubes de turbomachine, une première extrémité de l'aube comportant une première plateforme (13) présentant une surface (15), dite veine, du côté d'une pale (16) de l'aube ; le procédé se caractérisant en ce qu'on utilise, pour définir la veine, un procédé de modélisation de veine de plateforme selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, et en ce que la première plateforme est formée intégralement avec la pale.
EP14827829.4A 2013-12-18 2014-12-12 Aube, roue à aubes et turbomachine; procédé de fabrication de l'aube Active EP3084131B1 (fr)

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