La présente invention concerne les éléments creux, profilés aérodynamiquement, des moteurs à turbine à gaz, dotés d'un système de refroidissement
Dans la présente description, le terme "élément creux refroidi, profilé aérodynamiquement" pourra désigner, soit une aube complète avec ou sans accessoires intégrants ou rapportés tels que bandages, plateaux ou pieds, soit une partie d'une aube telle que sa partie longitudinale ou sa section, également avec ou sans accessoires intégrants ou rapportés
Dans les moteurs à turbine à gaz, il est maintenant d'usage de donner, au moins aux parties aérodynamiques des aubes travaillant dans la région la plus chaude du moteur une conformation interne creuse et souvent complexe pour en faciliter le refroidissement par circulation d'air ou d'autres fluides
A mesure que ces conformations internes deviennent Eluts complexes, elles deviennent de plus en plus diffiiles/à realiser, et en particulier l'usage croissant de la réfrigération par impact exige la présence d'un tube d'entre dtair séparé
Ce tube est fix4 dans l'élément aérodynamique creux et percé d'orifices permettant à l'air réfrigérant de jaillir pour ve nir frapper la face interne de ltélément .Sa fixation pose des problèmes et, du fait qu'il entraîne des complications de fabrication, son emploi augmente le prix de tube termine
La présente invention réalise un mode nouveau de réalisation des organes internes d'un élément creux refroidi, profilé aérodynamiquement Lldlément creux refroidi, profilé aérodynamiquement, selon ltinvention, pour moteur à turbine à gaz, comprend une cellule le réalisée par moulage, dont l'intérieur comporte une cavité principale d'entrée d'air s'étendant dans le sens longitudinal de ltélément, et une pluralité de cavités secondaires s'étendant dans le sens longitudinal de élément et placées entre la cavité principale et la face externe de l'élément, chacune desdites cavités secondaires communiquant avec la cavité principale par une pluralité de passages, ces Cavités principale et secondaires et ces passages étant tous réalisés par l'opération de moulage de la cellule
L'élément profilé aérodynamiquement pourra comprendre toute la zone d'attaque de la partie aérodynamiquement profilée d'une aube ou ailette dont la surface externe formera la face externe de ladite cellule
De préférence, les passages seront décalés de façon à ne pas former une seule rangée ; cette disposition rendra moins fragile le noyau utilisé pour le moulage
Les cavités secondaires pourront être au nombre de quatre
Selon un autre de ses aspects, l'invention réalise un procédé de fabrication dsun élément creux profilé consistant à faire un noyau céramique possédant un corps central longitudinal et une pluralité de corps secondaires longitudinaux espacés du corps central par une pluralité de colonnettes et à appliquer ce noyau à un procédé de moulage à cire perdue pour réaliser un élément creux profilé possédant des cavités internes correspondant à la forme externe du noyau
De préférence, le noyau sera réalisé selon la technique d'une pièce non réutilisable
L'invention est décrite ci-après en détail en se référant à un exemple préféré, non limitatif, de réalisation représenté sur les dessins annexés dans lesquels t - la figure 1 est une vue perspective d'une partie dun élé-
ment prcfiléiérodynamiquement, conforme à l'invention ; - les figures 2, 3 et 4 sont des coupes de matrices utilisées
successivement dans la mise en oeuvre du procédé selon
l'invention ;; et - les figures 5 et 6 sont des coupes à plus grande échelle,
dans le sens de l'envergure et dans celui de la corde, d'un
noyau utilisé dans le procédé des-figures 2 à 4 o
La figure 1 montre une partie 10 dun élément prof aéroX d nnamiquement constituant, dans l'exemple rcpre'sentc, le bord d'attaque d'une aube dont la partie restante 11 est sohémati- sée par des traits interrompus 4 Il est entendu que aube complète, formée des parties 10 et 11, serait équipée, en pratique, de plateaux, bandages, et moyens de fixation tels que des fixations en sapin ou en queue d'arondi dans le cas d'une aube de rotor . Les parties 10 et il porront otro des pièces séparées réunies par soudage, brasage, ou autre pro ou ou avoir été coulées ensemble d'un seul bloc
On voit que la partie 10 comporte une surfaite externe 12 fai- sant partie de la surface externe de l'aube, et une configuration interne comprenant une cavité principale 13 s'étendant longitudinalement, et une pluralité, dans le cas présent quatre, de cavités secondaires 14, 15, 16 et 17, s'étendant longitudinalement et situées chacune entre la cavité principale 13 et la surface externe 12 de l'aube . Dans l'exemple repré- senté, les cavités secondaires sont essentiellement parallèles à la cavité principale
Chaque cavité secondaire est raccordée à la cavité principale par une pluralité de passages 18, 19, 20 et 21, respectivement, établissant chacun une communication directe entre la cavité principale et la cavité secondaire respective, et étant disposés en zig-zag sur la longueur de leur cavité respective de façon à permettre au fluide réfrigérant de passer de la cavité principale à chaque cavité secondaires et inversement, sur toute leur longueur
On voit qu'en amenant de l'air réfrigérant à la cavité principale 13, on crée un écoulement gagnant les cavités secondaires dont les dimensions, ainsi que celles des passages, sont établies de façon que cet air vienne frapper, sous forme do jets, la surface de chaque cavité secondaire la plus proche de la surface externe 12 de l'aube de façon à assurer la réfrigération par impact de cotte surface . son outre, led- coulement d'air réfrigérant par ces passages produit une ré frigération par convection sur une grande superficie
Un chemin de sortie doit autre prévu pour l1air ayant effectué son travail .On pourra laisser cet air s'échapper par les extrémités des cavités secondaires, cet écoulement dans le sens de l'envergure produisant une réfrigération par convection, mais il sera préférable de prévoir d'autres passa gos (tels que le passage 22 esquissé en traits interrompus) entre les cavités secondaires et la surface externe 12 de l'aube par lesquels passera l'air réfrigérant sortant pour effectuer un refroidissement laminaire de cette surface 12 en plus du refroidissement par impact déjà effectué
On pourra en outre inverser le sens d'écoulement de l1air ré frigérant de façon qu(il pénètre dans les cavités secondaires 14, 13, 16 et 17 depuis le pied de l'aube pour les refroidir par convection en s'écoulant radialement sur toute leur longueur .A chacun des passages transversaux 18, 19, 20 et 21 une partie de l'air passe dans la cavité principale 13 à laquelle elle apporte un refroidissement supplémentaire par convection . L'air sortant de la cavité centrale 13 peut autre dirigé sur un autre passage radial précédemment inemployé, ou envoyé à d'autres zones de l'aube devant être réfrigérées , telles que la section arrière de l'aube ou le bandage des pointes d'aubes, ou-encore éjecté directement soue forme de couches laminaires intermédiaires aux passages radiaux
Il est prévu que, lorsque les cavités 14, 15, 16 et 17 assurent l'alimentation initiale en air réfrigérant, elles iront en s'amincissant selon la longueur de l'aube pour maintenir une répartition de pression statique constante chassant l'air par les passages de communication en tenant compte de la ré- duction de l'écoulement et, dans le cas d'une aube tournante, de l'aspiration centrifuge
Les figures 2 à 6 des dessins montrent le procédé de fabrication de 11 élément profilé aérodynamiquement de la figure 1
La figure 2 montre une matrice tripartie comprenant une pièce centrale allant en s'amincissant dans le sens longitudinal et comportant des évidements 24 dans lesquels s'engagent les extrémités de quatre rangés longitudinales de goujons 25
Ces rangées de goujons sont au nombre do deux sur chacune des deux parties principales 26 et 27 de la matrice
On voit que, lorsqu'elles sont assemblées comme sur la figure 2, les parties de matrice définissent une cavité dont la forme extérieure est semblable à celle de la pièce 10 à réaliser bien que plus petite .The present invention relates to the aerodynamically shaped hollow elements of gas turbine engines provided with a cooling system.
In the present description, the term "cooled hollow element, aerodynamically shaped" may designate either a complete blade with or without integral or attached accessories such as tires, trays or feet, or a part of a blade such as its longitudinal part or its section, also with or without integral or attached accessories
In gas turbine engines, it is now customary to give, at least to the aerodynamic parts of the blades working in the hottest region of the engine, a hollow and often complex internal conformation to facilitate cooling by air circulation. or other fluids
As these internal conformations become more complex, they become more and more difficult to achieve, and in particular the increasing use of impact refrigeration requires the presence of a separate storage tube.
This tube is fixed4 in the hollow aerodynamic element and pierced with orifices allowing the cooling air to flow out in order to hit the internal face of the element. Its fixing poses problems and, because it causes manufacturing complications , its use increases the price of finished tube
The present invention achieves a new embodiment of the internal members of a cooled hollow element, aerodynamically shaped The cooled hollow element, aerodynamically shaped, according to the invention, for a gas turbine engine, comprises a cell made by molding, the interior of which comprises a main air inlet cavity extending in the longitudinal direction of the element, and a plurality of secondary cavities extending in the longitudinal direction of the element and placed between the main cavity and the external face of the element, each of said secondary cavities communicating with the main cavity by a plurality of passages, these main and secondary cavities and these passages all being produced by the cell molding operation
The aerodynamically profiled element may include the entire attack zone of the aerodynamically profiled part of a blade or fin whose external surface will form the external face of said cell.
Preferably, the passages will be offset so as not to form a single row; this arrangement will make the core used for molding less fragile
There may be four secondary cavities
According to another of its aspects, the invention realizes a method of manufacturing a hollow profiled element consisting of making a ceramic core having a longitudinal central body and a plurality of longitudinal secondary bodies spaced from the central body by a plurality of columns and applying this core in a lost wax molding process to produce a hollow profiled element having internal cavities corresponding to the external shape of the core
Preferably, the core will be produced using the technique of a non-reusable part
The invention is described below in detail with reference to a preferred, nonlimiting example of embodiment shown in the accompanying drawings in which t - Figure 1 is a perspective view of part of an element.
ment pre-aerodynamically, according to the invention; - Figures 2, 3 and 4 are sections of dies used
successively in implementing the method according to
the invention; and - Figures 5 and 6 are sections on a larger scale,
in the sense of the span and that of the rope, of a
nucleus used in the process of FIGS. 2 to 4 o
FIG. 1 shows a part 10 of a prof aeroX element d nnamically constituting, in the example rcpre'sentc, the leading edge of a blade of which the remaining part 11 is drawn up by broken lines 4 It is understood that complete blade, formed of parts 10 and 11, would be equipped, in practice, with trays, tires, and fixing means such as fir or dovetail fastenings in the case of a rotor blade. Parts 10 and il will otro separate parts joined by welding, soldering, or other pro or or have been cast together in one piece
It can be seen that the part 10 has an external surface 12 forming part of the external surface of the blade, and an internal configuration comprising a main cavity 13 extending longitudinally, and a plurality, in this case four, of cavities secondary 14, 15, 16 and 17, extending longitudinally and each located between the main cavity 13 and the outer surface 12 of the blade. In the example shown, the secondary cavities are essentially parallel to the main cavity
Each secondary cavity is connected to the main cavity by a plurality of passages 18, 19, 20 and 21, respectively, each establishing direct communication between the main cavity and the respective secondary cavity, and being arranged in a zig-zag along the length of their respective cavity so as to allow the coolant to pass from the main cavity to each secondary cavity and vice versa, over their entire length
We see that by bringing refrigerant air to the main cavity 13, a flow is created, gaining the secondary cavities whose dimensions, as well as those of the passages, are established so that this air comes to strike, in the form of jets, the surface of each secondary cavity closest to the external surface 12 of the blade so as to ensure the cooling by impact of this surface. furthermore, the cooling air flow through these passages produces convective re-cooling over a large area
Another way of exit must be planned for the air having carried out its work. One could let this air escape by the ends of the secondary cavities, this flow in the direction of the span producing a cooling by convection, but it will be preferable to envisage other passos gos (such as the passage 22 sketched in broken lines) between the secondary cavities and the external surface 12 of the blade through which the outgoing refrigerant air will pass to effect a laminar cooling of this surface 12 in addition to the cooling by impact already made
It is also possible to reverse the direction of flow of the refrigerant air so that it enters the secondary cavities 14, 13, 16 and 17 from the foot of the blade to cool them by convection by flowing radially over any their length. At each of the transverse passages 18, 19, 20 and 21, part of the air passes into the main cavity 13 to which it provides additional cooling by convection. The air leaving the central cavity 13 can also be directed to another radial passage previously unused, or sent to other areas of the blade to be refrigerated, such as the rear section of the blade or the bandage of the blade tips, or again directly ejected in the form of laminar layers intermediate to radial passages
It is expected that, when the cavities 14, 15, 16 and 17 provide the initial supply of cooling air, they will become thinner along the length of the blade to maintain a constant distribution of static pressure expelling the air by the communication passages taking into account the reduction in flow and, in the case of a rotating vane, centrifugal suction
Figures 2 to 6 of the drawings show the method of manufacturing the aerodynamically shaped element of Figure 1
FIG. 2 shows a tripartite matrix comprising a central part which tapers in the longitudinal direction and comprising recesses 24 in which the ends of four longitudinal rows of studs engage 25
These rows of studs are two in number on each of the two main parts 26 and 27 of the matrix
We see that, when assembled as in Figure 2, the matrix parts define a cavity whose external shape is similar to that of the part 10 to be produced although smaller.
Dans la première phase de la fabrication, on injecte une matière non réutilisable dans la matrice par des canaux dtin- jection (non représentés) pour remplir la cavité formée par la matrice . On entend par matière non réutilisable une matière pouvant entre complètement détruite ou éliminée de façon quelconque au cours d'une phase ultérieure de fabrication on peut citer comme exemples de telles matières les matières synthétiques thermoplastiques et les cires dures . On injecte la matière non réutilisable à l'état liquide dans la matrice et on en provoque la solidification .Le procédé utilisé à cette fin dépendra de la matière en question et pourra consister à la laisser refroidir ou à la chauffeur pour y produire une réaction requise, ou simplement Aa laisser passer le temps nécessaire à la production dssune réaction
Lorsque la matière s'est solidifiée, on retire les éléments de matrice, opération rendue possible par la conicité de l'élément central 23 que l'on peut extraire longitudinalement quand les deux parties principales 26 et 27 de la matrice ont été séparées et retirées avec leurs goujons 23
La pièce non réutilisable 28 ainsi formée est alors montée dans une seconde matrice fendue représentée à la figure 3
Cette matrice est simplement un moule biparti dont les deux moitiés 29 et 30 définissent ensemble une cavité dans laquelle la pièce 28 s'adapte exactement mais qui possède des Bvi- dements longitudinaux 31 correspondant à des évidements ser- blables 32 ménagés dans la surface de la pièce 28 pour former des canaux communiquant avec les vides laissés par les goujons 25 . In the first phase of manufacturing, a non-reusable material is injected into the matrix by injection channels (not shown) to fill the cavity formed by the matrix. By non-reusable material is meant a material which can be completely destroyed or eliminated in any way during a subsequent manufacturing phase. Examples of such materials include thermoplastic plastics and hard waxes. The non-reusable material is injected in the liquid state into the matrix and it is solidified. The process used for this purpose will depend on the material in question and may consist of letting it cool or in the driver to produce a required reaction therein. , or simply to allow the time necessary for the production of a reaction to pass
When the material has solidified, the matrix elements are removed, an operation made possible by the taper of the central element 23 which can be extracted longitudinally when the two main parts 26 and 27 of the matrix have been separated and removed with their studs 23
The non-reusable part 28 thus formed is then mounted in a second split matrix shown in FIG. 3
This matrix is simply a bipartite mold, the two halves 29 and 30 of which together define a cavity in which the part 28 fits exactly but which has longitudinal grooves 31 corresponding to similar recesses 32 formed in the surface of the part 28 to form channels communicating with the voids left by the studs 25.
On procède maintenant à la manoeuvre usuelle d'injection d'un noyau céramique pour remplir la cavité intérieure de la pièce 28, les vides laissés par les goujons 25 et les canaux formés par les évidements 31 et 32 avec une matière céramique que l'on fait se solidifier et que l'on cuit de la manière habituelle . Cette cuisson pourra entraîner d'elle-même la des truction de la pièce 28 qui sera extraite de la matrice avec le noyau céramique, à moins qu'il ne faille éliminer cette pièce par des procédés chimiques .We now proceed to the usual injection maneuver of a ceramic core to fill the interior cavity of the part 28, the voids left by the studs 25 and the channels formed by the recesses 31 and 32 with a ceramic material which we solidifies and is cooked in the usual way. This firing may lead to the destruction of the part 28 which will be extracted from the matrix with the ceramic core, unless this part has to be eliminated by chemical processes.
On réalise ainsi un noyau céramique comprenant, comme le montrent les figures 5 et 6, un corps central 33 s'étendant longitudinalement et quatre appendices 34 s'étendant aussi lon gitudinalement . Chaque appendice 34 est joint au corps 33 par une rangée de colonnettes 35 disposées en zig-zag ; ces colonnettes 35 sont colles initialement définies par les goujons 25, le corps central 33 l'étant par l'élément central 23 et les appendices 34 l'étant par les évidements coincidents 31 et 32
Les colonnettes 35 sont disposées selon des rangées en zigzag plutôt que rectilignes ; ceci est d'importance car il est évident que, sans cela, le corps central 33 et chaque appendice 34 ne seraient joints que par une rangée unique de colonnettes minces très enclines à s'infléchir et à autre endommagées si le noyau était manipulé sans soin .Par le tracé en zig-zag des rangées de colonnettes, ces dernières forment en fait un pont résistant beaucoup mieux à ces charges
On utilise alors, dans une opération normale de moulage à cire perdue, le noyau ainsi formé pour produire la partie d'élément profilé 10 . La figure 4 montre le moule utilisé pour l'injection de cire ; c'est un moule biparti comprenant les demi-moules 36 et 37 et présentant une cavité interne de forme correspondant à celle que l'on cherche à donner à la surface externe de la pièce 10 . Le noyau est immobilisé dans cette cavité et lwon injecte de la cire pour remplir cotte cavité puis on laisse cette cire se solidifier
On démoule et lon enrobe la cire d'une pâte céramique visqueuse pour former une coquille céramique .On chauffe cette coquille pleine de cire pour dviminer cette dernière et laisser une cavité ayant la forme recherchée do la pièce 10 et que l'on remplit de métal fondu . On élimine enfin, en ge ral par rinçage chimique, la coquille céramique et le noyau pour isoler la pièce 10 recherchée
On notera q\ie l'exemple décrit ci-dessus ne représente qu'une application très simple de la présente invention et que celleci sera probablement appliquée à des éléments profilés adro- dynamiquement plus complexes que celui qui a été décrit, c'est à dire à des éléments complets comportant un bord de fuite et une partie centrale également refroidis . On notera également que, bien que l'élément profilé aérodynamiquement dont la pièce 10 est une partie soit fondamentalement une aube de rotor, la technique de l'invention est également applicable à des aubes ou ailettes de stator A ceramic core is thus produced comprising, as shown in FIGS. 5 and 6, a central body 33 extending longitudinally and four appendages 34 also extending longitudinally. Each appendage 34 is joined to the body 33 by a row of posts 35 arranged in a zig-zag; these columns 35 are glued initially defined by the studs 25, the central body 33 being by the central element 23 and the appendages 34 being by the coincident recesses 31 and 32
The balusters 35 are arranged in zigzag rows rather than rectilinear; this is important because it is obvious that without this, the central body 33 and each appendage 34 would only be joined by a single row of thin columns very prone to bending and other damaged if the core was handled without care By the zig-zag layout of the rows of balusters, the latter in fact form a bridge which is much better resistant to these loads
Then, in a normal lost wax molding operation, the core thus formed is used to produce the section of profiled element 10. Figure 4 shows the mold used for the injection of wax; it is a bipartite mold comprising the half-molds 36 and 37 and having an internal cavity of shape corresponding to that which it is sought to give to the external surface of the part 10. The core is immobilized in this cavity and lwon injects wax to fill the cavity coat and then this wax is allowed to solidify
We unmold and wrap the wax with a viscous ceramic paste to form a ceramic shell. We heat this shell full of wax to remove the latter and leave a cavity having the desired shape of part 10 and which we fill with metal. melted. Finally, in general, by chemical rinsing, the ceramic shell and the core are removed to isolate the desired part 10.
It will be noted that the example described above represents only a very simple application of the present invention and that this will probably be applied to adro-dynamically more complex profiled elements than that which has been described, ie tell complete elements with a trailing edge and a central part also cooled. It will also be noted that, although the aerodynamically profiled element of which the part 10 is a part is basically a rotor blade, the technique of the invention is also applicable to stator blades or vanes