FR3017459A1 - Aube instrumentee a tube rapporte dans une rainure - Google Patents

Abstract

Est concernée une aube destinée à être montée dans une veine d'écoulement de fluide. Cette aube comprend une pale (22) ayant un bord d'attaque et un bord de fuite, et un moyen de relevé d'informations (32) présent du côté de l'extrados ou de l'intrados. La pale renferme un canal d'acheminement d'informations et présente une rainure (34) débouchant sur l'extrados ou l'intrados et communiquant avec le canal d'acheminement d'informations. Par la rainure, le moyen de relevé d'informations est relié au canal d'acheminement d'informations ou passe à travers lui.

Description

AUBE INSTRUMENTEE A TUBE RAPPORTE DANS UNE RAINURE L'invention se rapporte à une aube instrumentée pour un module d'essai de turbomachine ou une turbomachine complète, telle qu'en particulier un turboréacteur d'avion, ou pour un compresseur ou une turbine, et à un procédé de réalisation de cette aube instrumentée. Une turbomachine comprend de manière générale une veine annulaire s'étendant globalement autour et le long d'un axe principal de la turbomachine, et dans laquelle un air circule de l'amont vers l'aval de la turbomachine, en passant successivement à travers des étages de compresseur, une chambre de combustion et des étages de turbine de la turbomachine. Les étages de compresseur et de turbine comprennent chacun des rangées annulaires d'aubes fixes, appelées redresseurs ou distributeurs respectivement, et dirigeant le flux d'air vers des rangées aval annulaires d'aubes en rotation, échangeant l'énergie contenue dans ce flux avec un arbre s'étendant le long de l'axe de la turbomachine. Chaque aube comprend une pale s'étendant radialement à cet axe, à travers la veine de la turbomachine, et comprenant un bord d'attaque en amont et un bord de fuite en aval.

Afin de répondre aux besoins de collecte d'informations sur le fonctionnement aérodynamique interne de la turbomachine, il est fréquent de devoir placer des capteurs ou « moyens de relevé d'information(s) » sur les pales des aubes fixes ou mobiles en rotation, au sein de la turbomachine directement ou bien au sein d'un module de turbomachine, à des fins d'essais expérimentaux. L'intégration aux pales de ces capteurs se fait généralement par collage ou brasage d'un organe d'instrumentation, selon le niveau de température rencontré par les pales lors des essais. Notamment lors d'essais de développement de moteurs d'avion, le besoin d'instrumentation est en effet primordial. Ces besoins sont nombreux à la fois pour surveiller le moteur et mesurer ses performances.

Dans ce cadre, les critères de performance étant de plus en plus importants, les études d'optimisation des aubages de turbomachines conduisent à des épaisseurs de pales de plus en plus fines. La qualité de l'aérodynamique autour des profils étant fortement liée à la présence ou non de décollement notamment au voisinage du bord de fuite, cela se traduit par un besoin de connaître la pression statique dans cette zone, notamment pour une abscisse curviligne supérieure ou égale à environ 80%, à 15% près (0%=bord d'attaque, 100%=bord de fuite). A la connaissance du demandeur, la prise de mesure (le moyen de relevé d'informations) est à ce jour souvent placé(e) proche de la zone d'épaisseur maximum du profil de la pale, compte tenu des contraintes existantes, parmi lesquelles on peut noter : - des perturbations dans l'écoulement d'air, si l'on fait cheminer le moyen de relevé d'informations (tel un tube pour une prise de pression), en surépaisseur le long d'une partie de la pale, - un impact fort (coût, durée, gestion des approvisionnements... ) sur le cycle de fabrication des pièces, si l'on fait passer le tube ci-dessus dans une rainure formée dans la pale, - une limitation à des profils (zones de profils) de pale épais(ses), si l'on 20 envisage un cheminement de la mesure (informations relevées) directement dans une pièce prépercée ou qui pourrait être réalisée avec un procédé de fusion laser (de construction couche par couche). La présente invention apporte une solution simple, efficace et économique à tout ou partie de ces problèmes. 25 A cette fin, elle propose une aube instrumentée destinée à être montée dans une veine d'écoulement de fluide d'une turbine ou d'un compresseur, ou d'un module de turbomachine, comprenant : - une pale délimitée selon une direction latérale par une surface extérieure comprenant un extrados et un intrados se rejoignant à leurs extrémités, de 30 manière à y former respectivement un bord d'attaque et un bord de fuite pour le fluide, et, - (au moins) un moyen de relevé d'information pour relever cette information sur la surface extérieure de la pale ou à proximité immédiate de celle-ci, caractérisée en ce que : - la pale renferme (au moins) un canal d'acheminement d'informations et présente (au moins) une rainure débouchant sur l'une au moins des parois d'extrados et d'intrados et communiquant avec le canal d'acheminement d'informations (concerné), et, - par la rainure, le moyen de relevé d'information est relié au canal d'acheminement d'informations (concerné) ou passe dans celui-ci. La solution technique proposée ici consiste donc en un cheminement hybride combinant avec avantage les trois procédés plus avant évoqués. Elle s'applique en particulier à une mesure, par exemple de pression statique ou de température, implantée sur une pièce réalisée en fusion laser (prototypage rapide métallique). Et cette voie hybride permet une implantation du moyen de relevé d'informations très reculée sur la corde du profil de la pale, donc près de la zone de bord de fuite, y compris avec des pales très fines. Toujours pour favoriser la qualité des mesures et éviter encore davantage les inconvénients déjà mentionnés, on conseille en outre que : - la rainure précitée soit formée dans la paroi d'extrados ou d'intrados (de préférence intrados) opposée à celle où le moyen de relevé d'informations est présent (débouche pour la prise de mesures), et la pale présente un orifice (trou a priori traversant) entre l'extrados et l'intrados pour qu'y passe le moyen de relevé d'information, et/ou - l'aube est telle que : -- entre les parois respectivement d'extrados et d'intrados, la pale présente une épaisseur qui est plus importante au bord d'attaque qu'au bord de fuite, et -- en allant du bord d'attaque vers le bord de fuite, on trouve dans la pale d'abord le canal d'acheminement d'informations, puis la rainure, puis l'orifice, et/ou, - ladite aube est telle que : -- depuis le bord d'attaque vers le bord de fuite, la pale présente une ligne de cambrure, et -- le long de la ligne de cambrure du bord d'attaque le moyen de relevé d'informations soit présent sur la paroi d'extrados ou d'intrados dans le tiers de la ligne de cambrure le plus proche du bord de fuite. Dans une application privilégiée, des pales fines (peu épaisses) seront spécifiquement concernées, en particulier pour des couples moyen de relevé d'informations/pale permettant d'utiliser sur des pales très peu épaisses de tels moyens ayant une faible section, ceci autorisant d'autant mieux une prise de mesure en partie aval de la pale. Ainsi un aspect de la solution ici présentée concerne t'il le cas : - où, du côté de la pale où est formée la rainure, un dit tube est présent, - et où le rapport entre l'épaisseur de la pale à l'endroit de l'orifice traversé par ce tube et la section dudit tube est inférieur ou égal à 1.5, de préférence inférieur ou égal à un, et de préférence encore compris entre 0.4 et 0.8. Et si le moyen de relevé d'informations est plus fin qu'un tube, tel un câble d'instrumentation, l'épaisseur (e3) de la pale à l'endroit de l'orifice traversé par ce moyen de relevé d'informations pourra être comprise entre 0.5 cm et 0.8 cm. Compte tenu de la voie hybride ci-avant présentée, il va en outre être possible, et il est ici conseillé, pour que les relevés puissent être de qualité, effectués aux meilleurs emplacements, en nuisant peu à l'environnement de la pale, et puissent être transmis vers une zone de traitement appropriée éloignée de l'aube, notamment vers des moyens extérieurs qui peuvent être en interaction avec une personne chargée d'essais, ou vers un boîtier de contrôle ou d'enregistrement : - que le canal d'acheminement d'informations, la rainure et l'orifice soient sensiblement transversaux les uns aux autres, et/ou, - que, sur l'aube : -- la pale présente une direction d'allongement le long des bords d'attaque et de fuite, et -- que le canal d'acheminement d'informations s'étende globalement, dans la pale, suivant cette direction d'allongement, et/ou, - que, du côté de la pale où est formée la rainure, le tube présente, extérieurement à l'aube, deux inflexions inverses l'une de l'autre. Pour assurer une tenue mécanique adéquate du tube dans les conditions précitées de son utilisation, il est par ailleurs recommandé qu'il soit en inconel et/ou que, dans l'aube, il soit fixé par soudure(s) ou brasure(s) et par de la colle ou un ciment céramique, favorisant ainsi l'étanchéité attendue. Outre l'aube ci-avant, l'invention concerne également une turbine, compresseur ou module de turbomachine, dans la mesure où il comprend une aube instrumentée ayant tout ou partie des caractéristiques ci-avant évoquées. Est aussi concerné un procédé de fabrication d'une telle aube instrumentée, où on utilise une fusion laser pour fabriquer l'aube, puis le moyen de relevé d'information est fixé à l'aube.

De préférence, l'étape de fabrication de l'aube avec fusion laser inclura la réalisation, par cette fusion laser, du (de chaque) canal d'acheminement d'informations, de la (de chaque éventuelle) rainure qui communique avec elle et/ou de l'orifice où passe le moyen de relevé d'information.

Ainsi, l'ensemble de la pale et des canaux, rainures et orifices pourront alors être réalisés d'une seule pièce lors du procédé de fabrication. De plus, avec un canal noyé dans la pale, il ne sera alors pas exposé au flux circulant autour de la pale, en fonctionnement.

Des détails complémentaires et/ou d'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de module de turbomachine avec un étage d'aubes ; - la figure 2 montre en perspective une pale instrumentée selon l'invention ; - la figure 3 correspond au détail III de la figure 2; - la figure 4 correspond à la coupe IV-IV de la figure 2; - et la figure 5 est une autre vue en perspective d'une aube instrumentée selon l'invention, avec un câble d'instrumentation, au lieu du tube des figures 2-4. La figure 1 présente donc un étage de turbomachine 10, situé dans un compresseur ou une turbine. Une veine 12 annulaire de circulation d'un fluide de l'amont vers l'aval s'étend circonférentiellement autour et parallèlement à l'axe 14 de la turbomachine globalement parallèlement auquel le fluide de fonctionnement de la turbomachine circule d'amont (AM) vers l'aval (AV). La veine 12 est délimitée intérieurement et extérieurement par deux parois 16,18 respectives annulaires Une rangée annulaire d'aubes 20 est montée en travers de la veine. Chaque aube comprend (au moins) une pale 22 s'étendant selon une direction radiale ou longitudinale à travers la veine 12 et interagissant avec le fluide. Comme montré par ailleurs (notamment figures 5 et 2 ou 4), une pale 22 comprend deux parois respectivement d'intrados 24 et d'extrados 26 formant ses limites dans une direction 90 circonférentielle ou latérale par rapport à l'axe 14. Ces parois 24,26 s'étendent longitudinalement à travers la veine et se rejoignent en amont de manière à former le bord d'attaque 28 de la pale, et en aval de manière à former le bord de fuite 30 de la pale. En fonction de l'étage où sont montées ces aubes, celles-ci peuvent être fixes ou en rotation dans la veine. Ainsi, la surface extérieure (enveloppe) 22a de la pale comprend les parois 24,26 avec les zones 28,30.

Figures 2 et 5, l'aube 20, que l'on peut qualifier de bloc-aube, comprend ici deux plateformes transversales 16a,18a, respectivement intérieure et extérieure formant un secteur angulaire, et une série de plusieurs pales 22 successives s'étendant entre elles, radialement à l'axe 14. La succession de ces plateformes transversales autour de l'axe 14 forme les parois annulaires 16,18. En alternative, une aube peut ne comprendre qu'une seule pale radiale à laquelle sont fixées, en rayons respectivement intérieur et extérieur, deux plateformes transversales de limitation de la veine. Afin d'étudier l'écoulement du fluide dans la veine 12, il est avantageux d'instrumenter les pales 22 avec des moyens 32 de relevé d'informations, notamment lors d'essais portant sur la turbomachine ou un module de turbomachine. L'information peut alors être transmise à un utilisateur pour des analyses en temps réel ou en différé. Cette information peut par exemple consister en la température du fluide, en sa pression, ou en tout autre paramètre mesurable dans la veine.

Les figures 2 et suivantes montrent une possible application des caractéristiques ci-avant évoquées à une pale fine, c'est-à-dire ayant une faible épaisseur latérale entre les parois d'extrados 26 et d'intrados 24. Comme on montré figure 4, la pale présente entre les parois d'extrados et d'intrados, une épaisseur qui, de manière conventionnelle, est plus importante au bord d'attaque (épaisseur el) qu'au bord de fuite (e2). En 31, on a par ailleurs fait figurer la ligne de cambrure de la pale qui va du bord d'attaque 28 au bord de fuite 30. Une ou plusieurs pales peuvent être ainsi équipées. Le (chaque) moyen 32 de relevé d'information est adapté à permettre de relever l'information souhaitée sur la surface extérieure 22a de la pale 22 concerné, ou à proximité immédiate de celle-ci (par exemple dans la couche limite), du côté de l'une au moins des parois d'extrados 26 et d'intrados 24. Il peut en particulier comprendre un tube, une buse, ou un câble 30 électrique (ou à équipement électronique) de relevé d'information permettant de prélever un fluide et/ou de relever une information par exemple de température ou de pression du fluide circulant autour de la pale instrumentée. Conformément à la solution intéressante ici proposée, la pale 22 renferme, ou intègre, le canal 40 d'acheminement d'informations et présente une rainure 34 qui débouche sur l'une au moins des parois d'extrados 26 et d'intrados 24 et communique (est en communication fluide) avec le canal 40. Le moyen 32 de relevé d'informations est, à travers la rainure 34, relié au canal 40 d'acheminement d'informations, et en particulier débouche dans celui-ci ou passe dans ou à travers lui. Pour prévenir des perturbations dans les prises de mesure, il est recommandé que la rainure 34 soit formée dans la paroi d'extrados 26 ou d'intrados 24 opposée à celle où le moyen 32 de relevé d'information débouche en (ou près de la) surface extérieure de la pale.

Un orifice 36 traverse alors la pale 22, entre l'extrados 26 et l'intrados, pour déboucher de part et d'autre et qu'y passe le moyen 32 de relevé d'information (en traversant cet orifice de part en part ou en communiquant de façon fluide avec lui). Les relevés d'informations étant en particulier utiles côté extrados 26, la rainure 34 sera de préférence formée dans l'intrados 24. Pour chercher à prélever l'information en aval, près du bord de fuite, tout en maintenant une bonne structuration de la pale, il est recommandé qu'en allant du bord d'attaque 28 vers le bord de fuite 30, on trouve dans la pale d'abord le canal 40 d'acheminement d'informations, puis la rainure 34, puis l'orifice 36. Ainsi, comme montré figure 4, le canal 40 et la rainure 34 pourront être réalisés dans une zone intermédiaire plus épaisse que ne l'est la pale là où est formé l'orifice 36. Des trois, c'est de préférence le canal 40 (les canaux) qui sera (seront) réalisé(s) dans la zone intermédiaire la plus épaisse (y compris les canaux tel celui 40a qui, reliés avec des prises d'information situées moins en aval, ne coopèrent pas avec une rainure telle 34).

Sur ce point, la figure 4 montre d'ailleurs qu'il sera possible et favorable à ce que, le long de la ligne de cambrure 31, le moyen 32 de relevé d'information (qui est donc le plus proche du bord de fuite 30) soit, sur la paroi d'extrados 26 (voire d'intrados si cela s'avérait utile), présent, ici avec l'orifice 36, dans le tiers de cette ligne de cambrure le plus proche du bord de fuite 30. Dans le cas où, comme montré figure 4, un tube 32 est utilisé comme moyen de relevé d'information, on pourra même implanter le tube si le rapport entre l'épaisseur (e3) de la pale 22 à l'endroit de l'orifice 36 où passe ce tube 32 et la section (S3) dudit tube est inférieur ou égal à 1.5, voire inférieur ou égal à un, voire même compris entre 0.4 et 0.8. On pourra ainsi implanter ce tube près du bord de fuite et sur des pales fines. Figure 5, on voit que la pale 22 présente, entre les plateformes transversales 16a,18a, une direction d'allongement 220, le long des bords d'attaque et de fuite ; On voit aussi que le canal 40, ainsi qu'ici le câble 32 formant le moyen 32 de relevé d'information (le « relevé » incluant la transmission de cette information vers les moyens 38 associés de traitement) qui y est disposé, s'étendent globalement, dans la pale, suivant cette direction d'allongement 220. On trouvera par ailleurs a priori avantage à ce que le canal 40, la rainure 34 et l'orifice 36 soient sensiblement transversaux les uns aux autres. Ainsi, après avoir capté l'information latéralement, près du bord de fuite 30, il va être possible de la faire transiter dans la pale sans perturber notablement l'écoulement à étudier, puis de la transmettre, en sortant de l'aube à l'écart de la pale, vers les moyens 38 (qui seront typiquement disposés à distance). La solution ci-avant permet aussi d'implanter facilement et rapidement le moyen 32 de relevé d'information retenu en répondant aux critères de surveillance de formation des décollements aérodynamiques. De plus, un tel moyen de faible section, rapporté localement sur la pale et donc faiblement intrusif dans l'écoulement (d'autant plus s'il débouche juste en surface de la pale, sans saillie dans la veine), induit de très faibles perturbations aérodynamiques sur le côté opposé à la mesure. En particulier en tenant compte des recommandations ci-avant, si (au moins) un tube est utilisé en tant que moyen 32 de relevé d'information, on pourra par ailleurs le conformer au mieux au profil alentour de la pale, et en particulier lui faire présenter, extérieurement à l'aube, du côté de la pale où est formée la rainure, deux inflexions successives 32a,32b, inverses l'une de l'autre (figures 3,4).

Concernant l'approche conceptuelle ici suivie, on aura compris qu'il s'agit, via le canal 40, d'intégrer dans l'épaisseur de la pale le cheminement de la mesure (ou du moyen qui la transmet, comme le câble électrique pour une mesure de température), et ce en direction du bord de fuite 30, jusqu'à atteindre un critère d'épaisseur de pale minimum donné.

Au-delà de cette zone, la rainure 34, réalisée localement dans la pale, permet de faire déboucher le canal sur le côté de la pale opposé à la mesure et ainsi d'assurer l'accès pour le moyen rapporté 32 de relevé d'information, ceci d'autant plus discrètement et en minimisant les perturbations s'il s'agit d'un tube de pression. Enfin, l'orifice 36 permet si nécessaire d'atteindre l'extrados, à la position souhaitée de la mesure proche du bord de fuite. Concernant maintenant la réalisation de l'aube instrumentée, on conseille d'utiliser une fusion laser pour fabriquer l'aube 20, puis de fixer à cette aube le moyen 32 de relevé d'information, réalisé par ailleurs.

On recommande même que, de préférence, l'étape de réalisation de l'aube avec fusion laser inclue la réalisation, par cette fusion laser, du canal 40 d'acheminement d'informations, de la rainure 34 qui communique avec elle et/ou de l'orifice 36 où passe le moyen 34 de relevé d'information. Ainsi, dans le cas d'un tube 34 comme illustré figures 2-4, le tube rapporté 34 sera inséré à un bout dans la rainure et, à l'autre, dans l'orifice 36, puis arasé côté mesure, ici à la surface de l'extrados 26.

La fixation à la pale d'un tel tube pourra être assurée par reconditionnement au fil Nichrome. Afin d'assurer une parfaite fixation et étanchéité, ceci pourra être complété par un dépôt de colle (cas d'un écoulement dans une veine à basse température) ou de ciment SAUEREISEN -TM- (si plus haute température) autour du tube. Avantageusement, le tube sera en Inconel -TM-, de faible inertie. Sont en particulier concernés pour être équipés d'au moins une telle aube instrumentée, les turbines, compresseurs ou modules de turbomachines d'avion, particulièrement les turbomoteurs et les 10 turbopropulseurs. Pour mémoire, il est rappelé que la fusion laser (selective laser melting en anglais) est une technologie de fabrication additive capable de produire des pièces métalliques à l'aide de lasers de haute puissance, faisant fusionner progressivement et localement (sélectivement), une 15 poudre métallique dans une atmosphère contrôlée. On peut, par un pilotage numérique exploitant des données de CAO 3D exploites par couches de quelques dizaines à centaines de microns, former une coupe bidimensionnelle. La pièce peut alors être construite en répartissant une couche uniforme de poudre métallique au moyen d'un dispositif de ré- 20 enduction, puis en faisant fondre les couches dans une atmosphère inerte contrôlée. Un traitement thermique final est réalisé.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Aube instrumentée destinée à être montée dans une veine (12) d'écoulement de fluide d'une turbine ou d'un compresseur, ou d'un module de turbomachine, comprenant : - une pale (22) délimitée selon une direction latérale par une surface extérieure (22a) comprenant un extrados (26) et un intrados (24) se rejoignant à leurs extrémités, de manière à y former respectivement un bord d'attaque (28) et un bord de fuite (30) pour le fluide, et, - un moyen de relevé d'information (32) pour relever cette information sur la surface extérieure de la pale ou à proximité immédiate de celle-ci, caractérisée en ce que : - la pale (22) renferme un canal (40) d'acheminement d'informations et présente une rainure (34) débouchant sur l'une au moins des parois d'extrados (26) et d'intrados (24) et communiquant avec le canal (40) d'acheminement d'informations, et, - par la rainure, le moyen de relevé d'information (32) est relié au canal (40) d'acheminement d'informations, ou passe dans celui-ci.
2. 2. Aube instrumentée selon la revendication 1, caractérisée en ce que la rainure (34) est formée dans la paroi d'extrados (26) ou d'intrados (24) opposée à celle où le moyen de relevé d'information (32) débouche pour pouvoir relever l'information sur la surface extérieure de la pale ou à proximité immédiate de celle-ci, et la pale (22) est traversée par un orifice (36) entre l'extrados (26) et l'intrados (24) pour qu'y passe le moyen de relevé d'information.
3. 3. Aube instrumentée selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen (32) de relevé d'information comprend un tube ou un câble de relevé d'information.
4. 4. Aube instrumentée selon la revendication 2, seule ou en combinaison avec la revendication 3, caractérisée en ce que :- entre les parois respectivement d'extrados (26) et d'intrados (24), la pale présente une épaisseur qui est plus importante au bord d'attaque (28) qu'au bord de fuite (30), et - en allant du bord d'attaque (28) vers le bord de fuite (30), on trouve dans la pale d'abord le canal (40) d'acheminement d'informations, puis la rainure (34), puis ledit orifice (36).
5. 5. Aube instrumentée selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que : - depuis le bord d'attaque (28) vers le bord de fuite (30), la pale présente une ligne de cambrure (31), et - le long de la ligne de cambrure du bord d'attaque (28) le moyen de relevé d'information (32) est présent sur la paroi d'extrados (26) ou d'intrados (24) dans le tiers de la ligne de cambrure le plus proche du bord de fuite (30).
6. 6. Aube instrumentée selon la revendication 3, seule ou en combinaison avec l'une des revendications 4,5, caractérisée en ce que : - du côté de la pale où est formée la rainure, un dit tube (32) est présent et - le rapport entre l'épaisseur (e3) de la pale (22) à l'endroit de l'orifice (36) et la section (S3) du tube (32) est inférieur ou égal à 1.5, de préférence inférieur ou égal à un, et de préférence encore compris entre 0.4 et 0.8.
7. 7. Aube instrumentée selon la revendication 3, seule ou en combinaison avec l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que, du côté de la pale où est formée la rainure, un dit tube (32) est présent et présente, extérieurement à l'aube, deux inflexions inverses l'une de l'autre.
8. 8. Turbine, compresseur ou module de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend une aube instrumentée (20) selon l'une des revendications précédentes.
9. 9. Procédé de fabrication d'une aube instrumentée selon l'une des revendications 1 à 7, où on utilise une fusion laser pour fabriquer l'aube, puis le moyen de relevé d'information (32) est fixé à l'aube.
10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'étape de fabrication de l'aube avec fusion laser inclut la réalisation, par cette fusion laser, du canal (40) d'acheminement d'informations, de la rainure (34) qui communique avec elle et/ou de l'orifice (36) où passe le moyen de relevé d'information.