FR2997442A1 - Aube pourvue d'une ailerette pouvant etre fabriquee par fonderie a la cire perdue - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une aube qui présente des performances aérodynamiques améliorées, et qui en outre est facilement fabricable par fonderie à la cire perdue. Pour ce faire, est proposé une aube (1) comportant un corps d'aube (6) et une tête d'aube (2), l'aube comportant une paroi intrados (4) et une paroi extrados (5), la paroi intrados (4) présentant une courbure concave au niveau de la tête d'aube (2), la paroi extrados (5) étant droite au niveau de la tête d'aube (5).

Description

AUBE POURVUE D'UNE AILERETTE POUVANT ETRE FABRIQUEE PAR FONDERIE A LA CIRE PERDUE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une aube, de préférence pour turbine, et tout particulièrement une aube mobile de turbine haute pression, pouvant être réalisée par fonderie à la cire perdue et pourvue d'une ailerette ou d'un décalage de coupes de tête. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEUR Les aubes de turbine sont des pièces soumises à de fortes contraintes thermiques et mécaniques, ce qui nécessite qu'elles soient refroidies pour supporter les conditions dans lesquelles elles fonctionnent. Pour cela, les aubes sont généralement creuses et un circuit de refroidissement par de l'air est mis en place à l'intérieur de l'aube. De telles aubes, vu la complexité de leurs formes, sont réalisées par fonderie, selon une technique connue sous le nom de fonderie à la cire perdue. Cette technique consiste généralement à matérialiser la future partie intérieure des aubes par des noyaux en céramique qui ont vocation à être éliminés par voie chimique après la coulée du métal constitutif de l'aube. Ces noyaux sont généralement fixés dans un moule métallique d'injection qui permet d'obtenir un modèle en cire de l'aube, le modèle en cire entourant le noyau. Ce modèle en cire est ensuite enrobé par une carapace céramique qui sert à la coulée de l'aube une fois que le modèle en cire a été éliminé. Cette carapace permet d'obtenir l'épaisseur demandée pour les parois de l'aube. Les noyaux sont de formes de plus en plus complexes, au fur et à mesure qu'augmentent les spécifications exigées pour le refroidissement des aubes et pour les performances aérodynamiques de l'aube. Chaque noyau est généralement réalisé en deux parties : une zone inférieure et une zone supérieure, la zone inférieure étant reliée à la zone supérieure par des tiges de liaison, généralement en alumine ou en quartz. Ces tiges de liaison ont principalement deux fonctions : d'une part tenir entre elles les parties du noyau et rigidifier l'ensemble, et d'autre part, participer à la réalisation de trous de dépoussiérage, dans la partie supérieure de l'aube. Une aube de turbine haute pression en cours d'élaboration par un procédé de fonderie à la cire perdue est représentée sur la figure 2. Dans l'état représenté, le métal de l'aube a été coulé dans la carapace autour des noyaux, suite à l'élimination de la cire. L'aube 1 présente au niveau de sa tête 2, une forme creuse ou baignoire 3, du fait que les parois d'intrados 4 et d'extrados 5 de l'aube se prolongent au-delà du corps d'aube 6 qui renferme les cavités internes de refroidissement. Les tiges de liaison en alumine 7 s'étendent vers l'extérieur de la baignoire 3, en étant fichées dans des trous de dépoussiérage 8. Afin d'améliorer les performances aérodynamique de cette aube, il a été proposé de la pourvoir d'un winglet 9, comme représenté sur les figures 1 à 3 de l'art antérieur. Le winglet 9, également appelé ailerette, est généralement formé au niveau de la tête de l'aube 2 qui présente alors une extrémité 10 recourbée, généralement en direction de la paroi intrados 4 de façon à réduire le débit de fuite en sommet d'aube qui alimente le tourbillon de jeu, ce qui a un impact positif sur la performance aérodynamique de l'aubage. Cependant, une telle aube est difficile à réaliser par fonderie à la cire perdue car il existe un décalage de coupe de tête entre la paroi extrados 5 et la paroi intrados 4 recourbée en forme de décalage de coupes de tête.

Le décalage de coupes de tête associé à la petite taille de la tête de l'aube rendent difficile le maintien de la baignoire 3 sur le noyau par les tiges d'alumine 7 et impose une inclinaison de la tige d'alumine 7 dont l'extrémité 11 est la plus proche du winglet 9 comme représenté sur la figure 4. Cette inclinaison limite le positionnement de la tige d'alumine 7 dans les noyaux en céramique, ce qui est néfaste pour le maintien des parties du noyau entre elles, et ce qui peut conduire à un taux de rebut des noyaux-très élevé. Par ailleurs, si on redresse la tige de liaison 7 dans le noyau, l'extrémité supérieure 11 de la tige de liaison devient trop proche de la paroi extrados 5, et l'extrémité inférieure de la tige de liaison devient trop proche de la paroi intrados 4. La tige de liaison 7 n'est alors plus assez ancrée dans les parties céramiques du noyau, ce qui créé des casses de tiges alumines ou de quartz ainsi que des criques dans les parties céramiques, et conduit à la mise au rebut de quantités importantes de noyaux.

EXPOSE DE L'INVENTION L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant une aube plus facilement réalisable par fonderie à la cire perdue que celles de l'art antérieur, et qui présente dans le même temps des performances aérodynamiques améliorées. Pour ce faire, est proposé selon un premier aspect de l'invention, une aube s'étendant suivant un axe de référence, l'aube comportant un corps d'aube et une tête d'aube, l'aube comportant une paroi intrados et une paroi extrados, la paroi intrados présentant une courbure concave au niveau de la tête d'aube, la paroi extrados n'étant pas courbée dans la direction de l'axe de référence au niveau de la tête d'aube. L'extrémité de la paroi intrados recourbée en direction de la paroi intrados lui permet de former un winglet qui permet à l'aube d'avoir de bonnes propriétés aérodynamiques.

Par ailleurs, au contraire des têtes d'aubes de l'art antérieur, dans lesquelles la paroi extrados au niveau de la tête d'aube présente une courbure convexe qui suit la courbure concave de la paroi intrados, selon l'invention, la paroi extrados reste droite, même lorsque la paroi intrados se courbe, ce qui permet d'avoir plus d'espace à l'intérieur de la tête d'aube, ce qui facilite la fabrication de l'aube par fonderie à la cire perdue. Lorsqu'on dit que la paroi extrados est droite au niveau de la tête d'aube, on parle de la forme de la paroi extrados dans la direction de l'axe de référence, ce qui n'empêche pas que la paroi extrados est courbée dans la direction transversale à l'axe de référence.

En effet, de cette façon, l'espace intérieur dans la tête d'aube est plus important, et donc la partie supérieure du noyau utilisée pour la fonderie à la cire perdue présente un plus grand volume. De cette façon, les tiges de liaison qui relient les parties inférieure et supérieure du noyau sont entourées par plus de matière dans la partie supérieure du noyau, ce qui permet au noyau d'encaisser les contraintes dues aux différences de dilatation thermique entre le matériau constitutif des parties supérieure et inférieure du noyau et la tige de liaison. En outre, les tiges de liaison utilisées pour relier la partie supérieure à la partie inférieure du noyau sont moins proches des parois des parties supérieure et inférieure du noyau, et l'angle de la tige dans les parties supérieures et inférieures du noyau est moins important, ce qui renforce la solidité du noyau, et évite que le taux de rebut noyau ne soit trop important. Par ailleurs, l'aube ainsi réalisée comporte un winglet, ce qui lui permet d'avoir de meilleures performances aérodynamiques, tout en étant plus simple à fabriquer. La tête de l'aube est donc évasée. Selon différents modes de réalisation : - l'aube présente au niveau de sa tête d'aube une partie creuse appelée « baignoire », la paroi intrados au niveau de la baignoire présentant une courbure concave, la paroi extrados au niveau de la baignoire étant droite, ce qui permet de fabriquer la baignoire plus facilement, tout en gardant de bonnes propriétés aérodynamiques pour l'aube ; - l'aube comporte une paroi transversale formant le fond de la baignoire, la paroi transversale étant percée par des perçages et des trous de dépoussiérage, qui permettent d'aérer l'aube. En effet, un circuit de refroidissement par de l'air est mis en place à l'intérieur de l'aube. Ce circuit est organisé en plusieurs conduits, qui partent du pied d'aube et s'étendent à l'intérieur du corps d'aube pour déboucher dans les perçages et les trous de dépoussiérage. Ces trous de dépoussiérage permettent en outre d'éjecter les poussières qui gravitent dans le circuit de refroidissement pour éviter qu'elles n'obstruent les perçages ; - le corps d'aube présente une cavité creuse délimitée par la paroi transversale et une partie des parois intrados et extrados. Ainsi l'aube peut être refroidie ; - les parois intrados et extrados présentent chacune une épaisseur constante lorsque l'on se déplace suivant l'axe de référence, ce qui permet d'améliorer les performances aérodynamiques de l'aube, et de faciliter sa fabrication. Un deuxième aspect de l'invention concerne également un noyau pour la réalisation d'une aube selon le premier aspect de l'invention par une technique de fonderie à la cire perdue, le noyau comportant une partie inférieure et une partie supérieure reliées entre elles par au moins une tige de liaison, la partie supérieure du noyau présentant une forme évasée. Ainsi, la tige de liaison est mieux entourée par la partie supérieure du noyau, ce qui permet au noyau d'être plus résistant malgré le fait que la partie supérieure et la tige de liaison présentent des dilatations thermiques différentes. Selon un mode de réalisation, la partie supérieure comporte : - une première paroi latérale (19), qui n'est pas courbée dans la direction de la tige de liaison, et contre laquelle la paroi extrados (5) de la tête d'aube (2) peut être formée, et - une deuxième paroi latérale concave contre laquelle la paroi intrados de la tête d'aube peut être formée. Avantageusement, la partie supérieure et la partie inférieure du noyau sont en céramique, ce qui permet de pouvoir les éliminer par voie chimique après la coulée du métal qui forme l'aube.

Avantageusement, la tige de liaison est en alumine, ce qui lui permet d'être particulièrement résistante lors du procédé de fabrication de l'aube. Un troisième aspect de l'invention concerne également un procédé de fabrication d'une aube selon le premier aspect de l'invention utilisant au moins un noyau selon le deuxième aspect de l'invention, comportant les étapes suivantes : - Fixation du noyau dans un moule métallique d'injection ; - Injection de la cire dans le moule métallique d'injection de façon à obtenir un modèle en cire de l'aube, le modèle en cire entourant le noyau ; - Enrobage du modèle en cire dans une carapace céramique ; - Elimination du modèle en cire ; - Coulage de l'aube entre la carapace céramique et le noyau ; - Elimination de la carapace et du noyau.

Un quatrième aspect de l'invention concerne également une turbomachine comportant une aube selon le premier aspect de l'invention. BREVES DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : - La figure 1, une vue en perspective d'une aube de l'art antérieur ; - La figure 2, une vue en coupe d'une autre aube de l'art antérieur pendant sa fabrication par fonderie à la cire perdue ; - La figure 3, une vue de côté de l'aube de la figure 2 à la fin de son procédé de fabrication ; - La figure 4, une vue en perspective de la tête de l'aube de la figure 2; - La figure 5, une vue en coupe d'une aube selon un mode de réalisation de l'invention pendant sa fabrication par fonderie à la cire perdue.

Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de références identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION La figure 5 représente une partie d'une aube 1 selon un mode de réalisation de l'invention pendant son procédé de fabrication. Dans l'état représenté, le métal de l'aube a été coulé dans la carapace autour des noyaux, suite à l'élimination de la cire. Les noyaux n'ont pas encore été éliminés. Cette aube 1 s'étend suivant un axe de référence 12. Dans ce document, le terme « longitudinal » désigne une direction parallèle à l'axe de référence 12, tandis que le terme « transversal » désigne une direction perpendiculaire à l'axe de référence 12. L'aube 1 comporte un corps d'aube 6, et de part et d'autre du corps d'aube 6, une tête d'aube 2 et un pied d'aube (non représenté sur la figure 5). L'aube comporte une paroi intrados 4 et une paroi extrados 5.

La tête d'aube 2 est pourvue d'un winglet 9 formé par la paroi intrados 4 qui présente une courbure concave au niveau de la tête d'aube. Ce winglet 9 permet d'augmenter les performances aérodynamiques de l'aube. L'aube selon l'invention est particulièrement remarquable en ce que la paroi extrados 5 reste droite dans n'importe quel plan contenant l'axe de référence au niveau de la tête d'aube comme cela est représenté sur la figure 5, au lieu de se courber pour suivre la paroi intrados. Le fait que la paroi extrados reste droite dans n'importe quel plan contenant l'axe de référence, signifie qu'elle n'est pas courbée dans ce plan, mais pas nécessairement qu'elle est parallèle à l'axe de référence, comme représenté sur la figure 5. La paroi intrados 4 présente une épaisseur el constante lorsque l'on se déplace suivant l'axe de référence 12. La paroi extrados 5 présente une épaisseur e2 constante lorsque l'on se déplace suivant l'axe de référence 2. La tête d'aube 2 présente une forme évasée puisque la paroi intrados 4 se courbe en direction de l'extérieur de l'aube, tandis que la paroi extrados reste droite. La distance D1 entre les parois intrados et extrados dans la tête d'aube ne reste donc pas constante, mais augmente lorsque l'on se déplace dans la tête d'aube depuis le corps d'aube en direction de l'extrémité proximale 14 de la tête d'aube. Ainsi, l'espace intérieur de la tête d'aube est plus important malgré la présence du winglet 9, ce qui permet de réaliser l'aube par fonderie à la cire perdue, avec des noyaux qui présentent des parties supérieures aux dimensions plus importantes que celles de l'art antérieur. En effet, un noyau utilisé pour réaliser l'aube de la figure 5 est également représenté sur la figure 5.

Ce noyau 15 comporte une partie inférieure 16 qui permet de former autour d'elle le corps d'aube et qui permet de matérialiser une cavité interne 17 du corps d'aube 6. Le noyau 15 comporte également une partie supérieure 18 qui permet de former autour d'elle la tête d'aube. L'espace laissé vide entre la partie inférieure 16 et la partie supérieure 18 permet de former une paroi transversale 26 de l'aube, qui forme le fond de la baignoire 3. Le passage de la tige de liaison 7 dans la paroi transversale 26 permet de former un trou de dépoussiérage 8. La partie inférieure 16 et la partie supérieure 18 sont de préférence en céramique. La partie inférieure 16 et la partie supérieure 18 sont reliées entre elles par au moins une tige de liaison 7, de préférence en alumine.

La partie supérieure 18 du noyau présente : - une première paroi latérale 19 droite contre laquelle la paroi extrados 5 de la tête d'aube peut être formée, et - une deuxième paroi latérale 20 concave contre laquelle la paroi intrados de la tête d'aube peut être formée. La deuxième paroi latérale 20 permet de former le winglet 9. La distance D2 entre la première paroi latérale 19 et la deuxième paroi latérale 20 augmente donc lorsque l'on se déplace dans la partie supérieure 18 depuis la base 21 en direction de la surface distale 22 de la partie supérieure 18. On appelle « base », la paroi de la partie supérieure 18 qui est sécante aux parois latérales 19 et 20 et qui est la plus proche de la partie inférieure 16. On appelle « surface distale », la paroi de la partie supérieure 18 qui sécante aux parois latérales 19, 20 et qui est la plus éloignée de la partie inférieure 16. La base 21 présente donc des dimensions inférieures à celles de la surface distale 22. La partie supérieure 18 du noyau présente donc des dimensions transversales plus importantes que celle de l'art antérieur, tout en permettant de réaliser des aubes avec de bonnes performances aérodynamiques, ce qui permet aux tiges d'alumine d'être entourées par plus de matière dans la partie supérieure 18. Ainsi, le noyau résiste mieux lors du procédé de fabrication de l'aube. De la même manière, la partie inférieure 16 de l'aube peut également présenter une forme évasée, de façon à amorcer la forme de la tête d'aube. Ainsi, la partie inférieure 16 peut également présenter : - une première paroi latérale 23 droite contre laquelle une partie de la paroi extrados 5 peut être formée, et - une deuxième paroi latérale 24 qui présente à son extrémité 25 une courbure concave.

De cette façon, les tiges de liaison sont également entourées par plus de matière dans la partie inférieure du noyau. Le noyau ainsi formé est plus résistant et il présente un taux de rebut inférieur. En outre, la boite à noyaux dans laquelle on insère les noyaux pour la fabrication de l'aube n'est pas trop complexe. Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. On pourrait par exemple envisager d'utiliser des matériaux différents pour les éléments constitutifs du noyau.10

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Aube (1) s'étendant suivant un axe de référence, l'aube (1) comportant un corps d'aube (6) et une tête d'aube (2), l'aube comportant une paroi intrados (4) et une paroi extrados (5), la paroi intrados (4) présentant une courbure concave au niveau de la tête d'aube (2), caractérisée en ce que la paroi extrados (5) n'est pas courbée dans la direction de l'axe de référence au i.o niveau de la tête d'aube (5).
2. 2. Aube selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'aube (1) présente au niveau de sa tête d'aube (2) une partie creuse appelée « baignoire » (3), la paroi intrados (4) au niveau de la baignoire (3) présentant 15 une courbure concave, la paroi extrados (5) au niveau de la baignoire (3) étant droite.
3. 3. Aube (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'aube (1) comporte une paroi transversale (26) formant le fond de la baignoire 20 (3), la paroi transversale (26) étant percée par des perçages et des trous de dépoussiérage (8).
4. 4. Aube (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le corps d'aube (6) comporte une cavité creuse délimitée par la paroi 25 transversale (26) et une partie des parois intrados (4) et extrados (5).
5. 5. Aube (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'aube s'étend suivant un axe de référence (12), les parois intrados (4) et extrados (5) présentent chacune une épaisseur (et e2) constante lorsque 30 l'on se déplace suivant l'axe de référence (12).
6. 6. Noyau (15) pour la réalisation d'une aube (1) selon l'une des revendications précédentes par une technique de fonderie à la cire perdue, le noyau (15) comportant une partie inférieure (16) et une partie supérieure (18) reliées entre elles par au moins une tige de liaison (7), caractérisé en ce que la partie supérieure (18) présente une forme évasée.
7. 7. Noyau (15) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la partie supérieure (18) comporte : - une première paroi latérale (19) qui n'est pas courbée dans la direction de la tige de liaison, contre laquelle la paroi extrados (5) de la tête d'aube (2) peut être formée, et - une deuxième paroi latérale (20) concave contre laquelle la paroi intrados (4) de la tête d'aube (2) peut être formée.
8. 8. Procédé de fabrication d'une aube (1) selon l'une des revendications 1 à 5 utilisant au moins un noyau selon l'une des revendications 6 ou 7, comportant les étapes suivantes : Fixation du noyau (15) dans un moule métallique d'injection ; Injection de la cire dans le moule métallique d'injection de façon à obtenir un modèle en cire de l'aube (1), le modèle en cire entourant le noyau (15); Enrobage du modèle en cire dans une carapace céramique ; Elimination du modèle en cire ; Coulage de l'aube (1) entre la carapace céramique et le noyau (15); Elimination de la carapace et du noyau (15).
9. 9. Turbomachine comportant une aube (1) selon l'une des revendications 1 à 5.