FR2924156A1

FR2924156A1 - Aube de turbomachine

Info

Publication number: FR2924156A1
Application number: FR0759296A
Authority: FR
Inventors: Brou De Cuissart Sebastien Digard; Ray Matthieu Le
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2009-05-29
Anticipated expiration: 2027-11-26
Also published as: FR2924156B1

Abstract

L'aube (10) de turbomachine comporte des nervures (50) formées au voisinage du bord de fuite (42) et une plateforme. L'aube (10) comporte un ensemble de nervures courtes (501, 502, 503) au voisinage de celle-ci, ce qui permet une conception optimisée d'aube ayant une durée de vie accrue.

Description

L'invention concerne une aube dans une turbomachine, et principalement, une aube plongée dans des gaz de flux chaud, nécessitant la mise en oeuvre de moyens spécifiques pour lui permettre de fonctionner malgré des conditions de température et souvent de pression difficiles. La turbomachine peut être terrestre, ou encore aéronautique, par exemple un turboréacteur ou un turbopropulseur. Dans une telle turbomachine, les aubes sont plongées dans un flux de gaz qui circule à des vitesses parfois élevées par exemple des vitesses supersoniques. Les températures auxquelles sont soumises les aubes varient fortement, typiquement pour des turbomachines dans le domaine aéronautique entre - 50°C et plus de 1000°C. Les aubes sont donc soumises à des forces de pression et à des gradients de température considérables. Du fait des hautes températures et des gradients de température associés, des contraintes considérables apparaissent à l'intérieur des aubes. Ces contraintes peuvent entrainer l'apparition de fissures, localisées notamment dans le bord de fuite des aubes. De telles fissures nécessitent naturellement le remplacement de celles-ci. Pour permettre aux aubes de résister mécaniquement à ces contraintes, de manière connue, des nervures sont prévues au voisinage de leur bord de fuite. Ces nervures permettent la rigidification mécanique du bord de fuite, sans cependant engendrer une surépaisseur trop grande qui réduirait les performances aérodynamiques de l'aube. En général, ces nervures se terminent toutes sensiblement à la même distance du bord de fuite. En faisant référence à la figure 2, un exemple d'aube comportant des nervures au voisinage de son bord de fuite disposées suivant un mode de réalisation connu, va maintenant être détaillé. La figure 2 présente de manière schématique la pale 140 d'une aube 110. Cette pale comporte des nervures 150 disposées le long de son bord de fuite 142. Ces nervures 150 s'étendent depuis la plate-forme 130 jusqu'à l'extrémité opposée 131 de la pale 140. Elles sont sensiblement parallèles à la face supérieure 132 de la plate-forme, c'est-à-dire la face dirigée du côté de la pale. Les extrémités 153 des nervures 150 situées du côté du bord de fuite sont toutes situées à la même distance A de celui-ci. Par ailleurs, les extrémités 155 des nervures situées à l'opposé du bord de fuite, ainsi que la marche 158 formée entre la surface principale 156 de l'intrados et la surface 154 de bord de fuite sont situées à une distance B constante ou sensiblement constante du bord de fuite 142. Cependant, il s'est avéré que de telles nervures ne permettent pas de stabiliser efficacement la position des bords de fuite de l'aube ; et l'on observe en fonctionnement des déformations nuisibles de la pale, notamment au voisinage du bord de fuite. En effet, les gradients thermiques qui existent entre les parois intrados et extrados de l'aube génèrent des déplacements non linéaires dans une direction sensiblement perpendiculaire au bord de fuite. En outre, malgré ces nervures, le bord de fuite de l'aube reste une zone de faiblesse de l'aube, au niveau de laquelle peuvent apparaître des fissures à cause des niveaux de contraintes très élevés qui y règnent en fonctionnement. De telles fissures conduisent naturellement à la mise au rebut de l'aube. Le bord de fuite, à cause de cette possibilité d'apparition de défauts, apparaît ainsi comme un facteur limitant pour la durée de vie moyenne d'une aube. Un premier objet de l'invention est de définir une aube de turbomachine comportant des nervures formées au voisinage du bord de fuite, une plateforme, qui soit facile à fabriquer de manière industrielle, et qui ne présente pas les inconvénients précités. Cet objectif est atteint grâce au fait qu'elle comporte un ensemble de nervures courtes au voisinage de la plateforme. En effet, il a été constaté que dans l'aube, la plus grande concentration de contraintes au voisinage du bord de fuite est située près de la plate-forme. C'est donc dans cette zone qu'il est particulièrement utile de limiter les contraintes. Dans ce but, avantageusement des nervures courtes sont prévues au voisinage de la plate-forme, par exemple une première nervure courte, voire deux ou trois nervures plus courtes que les autres. En utilisant des nervures courtes au voisinage de la plateforme, on laisse la paroi du bord de fuite localement souple ce qui limite l'apparition et la transmission de contraintes. Il est ainsi possible de réduire de l'ordre de 20% le niveau des contraintes au niveau du rayon de raccordement entre l'aube et la plateforme. Cette diminution du niveau des contraintes que subit l'aube dans cette zone très sollicitée permet d'obtenir avantageusement une augmentation appréciable de la durée de vie de l'aube.

Selon un mode de réalisation, la première nervure voisine de la plateforme est la plus courte des nervures. La première nervure est celle qui est soumise au niveau de contraintes le plus élevé ; c'est donc en réduisant à cet endroit la rigidification de l'aube qu'il est possible de maximiser l'effet local recherché de réduction des contraintes dans la paroi de bord de fuite. Selon un mode de réalisation, la longueur de la première nervure est au plus égale à la moitié de la longueur moyenne des nervures. Il a été constaté qu'une telle forte réduction de la longueur de la nervure est particulièrement efficace. Selon un mode de réalisation, les trois premières nervures sont de longueur croissante. Il convient ici de noter que dans la phrase précédente, l'importance des nervures peut se comprendre de différentes manières : les nervures peuvent être plus importantes car elles se prolongent sur une plus longue distance, par exemple plus près du bord de fuite ; elles peuvent être plus importantes parce qu'elles sont plus rapprochées les unes des autres ; elles peuvent être plus importantes parce que leurs sections sont plus grandes ; ou autre.

La température locale en fonctionnement de l'aube est en effet le premier paramètre à prendre en compte pour dimensionner les nervures au voisinage du bord de fuite. On notera toutefois que d'autres paramètres peuvent être pris en compte, ce qui conduit parfois pour une petite partie des nervures à adopter d'autres règles de dimensionnement que celle précédemment énoncée.

En rigidifiant le bord de fuite dans les zones chaudes, alors que dans les zones plus froides il ne l'est pas, on maintient le nombre et l'importance des nervures à un niveau minimum, mais suffisant pour rigidifier le bord de fuite et empêcher les déformations de celui-ci. Selon un mode de réalisation, sur la plus grande partie du bord de fuite, les extrémités des nervures sont plus près du bord de fuite dans les zones dans lesquelles la température en fonctionnement est particulièrement élevée. Le bord de fuite proprement dit est en effet la zone la plus critique : C'est là que la paroi de la pale est la plus mince et que le risque de déformation est le plus grand ; c'est aussi une zone critique du point de vue aérodynamique, c'est-à-dire une zone sur laquelle la présence de nervures est la plus pénalisante. En prolongeant les nervures jusqu'au voisinage du bord de fuite préférentiellement dans les zones chaudes, on obtient ainsi une rigidification du bord de fuite sans réduire inutilement les qualités aérodynamiques de l'aube.

On notera par ailleurs que, certains des modes de réalisation présentés précédemment, il a été indiqué comment renforcer la rigidité d'une zone chaude du bord de fuite de l'aube. Naturellement, des dispositions inverses sont à prendre pour éviter de rigidifier inutilement des zones froides du bord de fuite de l'aube. Un second objet de l'invention est de remédier aux inconvénients précités en définissant une turbine haute pression de turbomachine, comportant au moins une aube selon l'un des modes de réalisation précédents. 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 en perspective d'une aube de turbomachine conforme à l'invention ; et les figures 2 et 3 sont des vues de face partielles d'une aube de turbomachine, présentant les nervures aménagées sur leur bord de fuite, respectivement selon l'art antérieur et selon l'invention ; la figure 4 est une courbe de température le long du bord de fuite d'une aube de turbomachine telle que présenté sur la figure 3 ; et la figure 5 présente différentes sections possibles pour des nervures d'aube de turbomachine conforme à l'invention.

En faisant référence à la figure 1, une aube de turbomachine selon l'invention va maintenant être décrite. L'aube 10 comporte un pied 20, une plate-forme 30 et une pale 40. La pale 40 s'étend entre un intrados 46 et un extrados 48. Ceux-ci sont reliés au niveau du bord d'attaque 44 et du bord de fuite 42. La pale comporte en outre des conduits intérieurs d'injection d'air qui débouchent au niveau de trous 52. Ces conduits permettent l'apport d'air frais au niveau de l'aube pour éviter sa montée en température, la refroidir et ainsi permettre son utilisation même au sein de flux de gaz de températures extrêmement élevées. Au niveau du bord de fuite, les surfaces d'intrados et d'extrados se rapprochent pour former une paroi 54 de faible épaisseur. Cette paroi 54 est rigidifiée par des nervures 50. Ces nervures sont formées sur l'intrados 46. La forme de l'intrados 46 au voisinage de son bord de fuite 42 est la suivante. L'intrados comporte une surface principale 56 de forme générale galbée et régulière. Cette surface principale de l'intrados est interrompue par une marche 58 et est prolongée en aval de cette marche 58 par la surface 57 qui est la surface de la paroi 54 située du côté de l'intrados. Les nervures 50 s'étendent depuis ladite marche 58 jusqu'à la paroi 54. Entre des nervures consécutives sont formées des encoches 60.

Avantageusement, des trous 41 d'injection d'air sont formés dans ces encoches 60, permettant le refroidissement du bord de fuite 42. En faisant référence aux figures 3 et 4, le fonctionnement et la disposition des nervures dans l'aube de turbomachine de la figure 1 vont maintenant être détaillés. La pale 40 d'aube 10 de turbomachine représentée sur la figure 3 fait apparaître un ensemble de nervures 50 sensiblement parallèles à la face supérieure 32 de la plate-forme 30 de l'aube 10. Ces nervures 50 assurent la rigidification de la paroi 54 de bord de fuite de la pale 40. Les nervures 50 s'étendent du côté amont entre la marche 58 qui sépare la surface principale 56 de l'intrados et la surface 57 de bord de fuite de la pale. Sur la figure 3, cette marche 58 est représentée comme étant à une distance sensiblement constante C du bord de fuite 42. De manière plus générale, cette distance C entre la marche 58 et le bord de fuite 42 pourrait varier, par exemple en fonction de la distance entre la nervure et la surface supérieure 32 de la plate-forme 30. D'autre part, les extrémités 53 des nervures 50 du côté du bord de fuite sont situées à différentes distances D; du bord de fuite 42 (par souci de simplicité, toutes les distances D; ne sont pas représentées). Dans l'aube présentée, les distances D; sont définies suivant deux critères différents, respectivement sur la partie E et la partie F du bord de fuite.

La partie E est la partie du bord de fuite située au voisinage de la plateforme 30 de l'aube. Dans cette partie E, l'aube comporte des nervures courtes, c'est-à-dire que les distances D; sont faibles. Plus précisément, on voit que la première des nervures 501 est la plus courte des nervures, que les nervures sont de longueur croissante (pour les trois premières 501, 502, 503 notamment) ; et que la longueur de la première nervure 501 est inférieure à la longueur moyenne Dm des nervures. Le bord de fuite comporte en outre une partie F, située à plus grande distance de la plateforme, dans laquelle les nervures sont dimensionnées suivant un principe différent. Dans cette partie F, les distances D; peuvent être appréciées en les comparant au profil de température présenté par la figure 4. La figure 4 montre une courbe représentant la variation de la température T° locale sur le bord de fuite de l'aube en fonction de la distance X par rapport à la plate-forme de l'aube. La comparaison des figures 3 et 4 fait apparaître que plus la température T° au voisinage du bord de fuite est élevée, plus les extrémités 53 de nervures sont proches du bord de fuite, de manière à rigidifier celui-ci davantage dans les zones chaudes. Par exemple, dans la partie de l'aube située à une distance X0 de la plateforme 32, indiquée sur la figure 4, la courbe de température passe par un maximum local. Pour rigidifier le bord de fuite dans cette zone de température élevée, dans cette zone les nervures sont particulièrement longues et s'étendent sensiblement jusqu'au bord de fuite, c'est-à-dire plus exactement que la distance entre l'extrémité des nervures et le bord de fuite est réduite au minimum, comme il apparaît sur la figure 3. Inversement, dans les zones plus froides, les nervures 50 peuvent avoir une extrémité 53 située à une certaine ou à une plus grande distance du bord de fuite. La figure 5 représente différents profils de nervures utilisables dans une aube selon l'invention. Le repère E correspond à des nervures de même section, et espacées régulièrement. Cela peut correspondre à un mode de réalisation de l'invention, dans lequel on adapte l'importance des nervures simplement en faisant varier la distance entre l'extrémité des nervures et le bord de fuite. On a fait apparaître que chaque nervure, individuellement, peut avoir une section avec des arêtes plus ou moins vives, ou plus ou moins arrondies.

Le repère F correspond à des nervures de section dont les sections varient en fonction du profil de température, les sections étant plus importantes dans les zones de température élevée (par exemple au point XO), et plus faibles dans les zones de faible température (par exemple au point Xl). Le repère G correspond à des nervures dont l'écartement deux à deux varie en fonction du profil de température, les nervures étant plus rapprochées dans les zones de température élevée (par exemple au point XO), et plus écartées les unes des autres dans les zones de faible température (par exemple au point Xl). Les différentes combinaisons indiquées précédemment peuvent naturellement être combinées les unes aux autres.

Claims

REVENDICATIONS

1. Aube de turbomachine comportant des nervures (50) formées au voisinage du bord de fuite (42), une plateforme (30), caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble de nervures courtes (501, 502, 503) au voisinage de celle-ci.

2. Aube selon la revendication 1, dans laquelle la première nervure (501) voisine de la plateforme est la plus courte des nervures.

3. Aube selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la longueur de ladite première nervure (501) est au plus égale à la moitié de la longueur moyenne des nervures (50).

4. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les trois premières nervures (501, 502, 503) sont de longueur croissante.

5. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle sur la plus grande partie du bord de fuite (42), l'importance des nervures (50) est augmentée au voisinage du bord de fuite dans les zones dans lesquelles la température (T°) en fonctionnement de l'aube est particulièrement élevée.

6. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle sur la plus grande partie du bord de fuite, les extrémités des nervures (53) sont plus près du bord de fuite dans les zones dans lesquelles la température (T°) en fonctionnement est particulièrement élevée.

7. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle des encoches (60) sont formées entre des nervures consécutives, des trous d'injection d'air (52) étant formés dans ces encoches.

8. Turbine haute pression de turbomachine, comportant au moins une aube (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.

9. Turbomachine comportant au moins une aube (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.