FR3017649A1 - Aube mobile pour organe de turbomachine - Google Patents

Description

DOMAINE GEN ERAL L'invention se rapporte au domaine des aubes mobiles pour turbomachine. L'invention concerne plus particulièrement un arrangement 5 particulier du pied d'une aube mobile pour organe de turbomachine. ETAT DE L'ART Une aube mobile pour organe de turbomachine (organe tel qu'une turbine basse pression) est soumise à des contraintes mécaniques 10 particulières ; une telle aube mobile comprend dès lors une pale et un pied adapté à ces contraintes. Le pied comporte une première extrémité reliée à la pale et une deuxième extrémité destinée à être rapportée sur un disque tournant. Entre ses deux extrémités, le pied comprend une échasse, et un col 15 d'épaisseur réduite. L'échasse forme une cavité destinée à absorber des contraintes mécaniques subies par la pale lorsque l'aube est mise en rotation par la turbine. De cette manière, les efforts perçus par le col, partie particulièrement fragile du pied, sont diminués. Il a été proposé un premier type d'aube, dont un exemple est 20 illustré en figure la, comprenant une échasse définissant une cavité présentant un fond plan. Toutefois, de telles échasses ne permettent pas de répondre aux exigences mécaniques requises par des pales de géométrie complexe. Pour répondre à de telles exigences, il a également été proposé un 25 second type d'aube dont un exemple est illustré en figure lb, et comprenant une échasse dont la cavité présente un fond curviligne. Ce fond curviligne présente un profil reprenant la forme ou plus exactement le profil de la pale de manière à assurer un maximum de recouvrement entre l'échasse et la pale ou plus exactement entre le profil de la section 30 transversale de l'échasse et le profil de la section transversale de la pale.

Cependant, la fabrication d'échasses selon ce second type est particulièrement complexe, donc plus coûteuse. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention vise à proposer une aube mobile pour organe de turbomachine à la fois plus résistante à des contraintes mécaniques subies en cours de fonctionnement de la turbine, tout en restant de fabrication simple. Il est donc proposé une aube mobile pour organe de turbomachine, l'aube mobile comprenant une pale présentant un axe d'écoulement, un pied comprenant un col et une échasse reliant la pale au col, l'échasse comprenant une paroi centrale s'étendant le long de l'axe d'écoulement, et deux parties transversales s'étendant transversalement à la paroi centrale de façon à former au moins une cavité, la paroi centrale définissant le fond de la cavité, le fond de la cavité comportant deux faces sensiblement planes sécantes jointes par une zone de raccordement. Lorsque la pale mobile est en fonctionnement, des contraintes mécaniques sont mieux absorbées par l'échasse de l'aube selon l'invention par rapport à l'aube selon le premier type connu décrit en introduction.

En particulier, des efforts de traction transitant par le bord de fuite sont notamment mieux captés par la zone de raccordement entre les deux faces planes, qui tend à raccorder le col au bord de fuite. Il est à noter que le col de l'aube proposée est en particulier efficacement protégé mécaniquement par l'échasse présentant de telles 25 faces planes sécantes sans avoir à subir de quelconque modification. Grâce à son profil relativement simple, l'échasse de l'aube proposée peut en outre être aisément fabriquée par usinage. Le coût de fabrication de l'aube n'est donc pas augmenté de façon significative par rapport au premier type d'aube connu présenté en introduction, et est 30 nettement inférieur au coût de fabrication du second type d'aube décrit.

L'invention peut également être complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles. La zone de raccordement peut présenter au moins une génératrice 5 parallèle à la direction radiale de la pale. La zone de raccordement peut être à rayon progressif. L'une des faces, dite première face, peut être orientée sensiblement parallèlement à l'axe d'écoulement. Une portion de surface du col peut prolonger tangentiellement la 10 première face. La première face peut présenter une largeur selon l'axe d'écoulement sensiblement égale à 3/5 de la largeur de la cavité selon l'axe d'écoulement. La pale présentant un bord de fuite, la deuxième face peut 15 s'étendre jusqu'à une extrémité transversale libre de la partie transversale la plus proche du bord de fuite. La pale présentant un coté intrados et un côté extrados opposé au côté intrados, les deux parties transversales peuvent s'étendre transversalement à la paroi centrale de façon à former une première 20 cavité du côté intrados, les deux faces sécantes du fond de la première cavité étant reliés par un raccordement formant un angle compris entre 20 et 40 degrés, préférentiellement 30 degrés. Les deux parties transversales peuvent de façon alternative ou complémentaire s'étendre transversalement à la paroi centrale de façon à 25 former une deuxième cavité du côté extrados, les deux faces sécantes du fond de la deuxième cavité étant reliés par un raccordement formant un angle compris entre 5 et 15 degrés, préférentiellement 10 degrés. Il est par ailleurs proposé un organe de turbomachine comprenant au moins l'aube mobile précitée. 30 DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : Les figures la et 1 b, déjà discutées, représentent chacune une aube mobile connue de l'art antérieure. La figure 2 est une vue latérale en perspective d'une aube mobile selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 3 est une vue en coupe radiale de l'échasse de l'aube de la figure 2 suivant le plan x-z.

La figure 4 est un ensemble de quatre courbes de niveau comparatives montrant des répartitions de contraintes mécaniques subies par une aube connue et par une aube selon un mode de réalisation de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références 15 identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 2, une aube 1 mobile de turbine basse pression comprend une pale 2 et un pied 3. 20 La pale 2 est globalement orientée selon un plan défini par un axe x moyen d'écoulement d'un fluide, et un axe de direction radiale y. On considère dans la suite un troisième axe z formant avec les axes x et y un trièdre direct (x, y, z). La pale 2 comporte également un bord d'attaque 23 et un bord de 25 fuite 24, et s'étend entre les deux bords 23, 24 selon l'axe d'écoulement x. La pale 2 comporte une tête (non-illustrée) et une base 22, et s'étend entre la tête et la base 22 selon l'axe de direction radiale y. La pale 2 comporte également un intrados 25 et un extrados 26 30 opposé à l'intrados 25, chacun délimité par la tête, la base 22, le bord d'attaque 23 et le bord de fuite 24.

L'aube 1 est typiquement montée sur un disque (non représenté) par engagement du pied 3 dans un logement de forme correspondante aménagé à la périphérie du disque. Le pied 3 comporte deux extrémités opposées selon l'axe radial y : 5 une première extrémité 31 solidaire de la base 22 de la pale 2, et une deuxième extrémité 32, opposée à la première extrémité 31, et destinée à être montée fixe sur un disque tournant. Le pied 3 comporte, depuis sa première extrémité 31 jusqu'à sa deuxième extrémité 32, une première partie formant une échasse 5, une 10 deuxième partie formant un col 4, prolongeant la première partie, et une troisième partie formant un bulbe 7. Le col 4 présente deux portions de surfaces opposées s'étendant selon un axe d'écoulement de fluide de la pale 2, référencé x sur les figures. 15 Le bulbe 7 présente deux portions de surfaces opposées prolongeant les portions de surfaces du col. Le bulbe 7 est typiquement logé dans un logement du disque tournant présentant des dimensions sensiblement complémentaires. Le col 4 présente une section dans l'axe d'écoulement du fluide (section selon un plan parallèle au plan défini par les axes y et z) 20 de dimensions réduites par rapport à la section du bulbe 7 correspondante. Le pied 3 comprend également une plateforme 56, reliée à la base 22 de la pale 2, et s'étendant globalement transversalement à l'axe radial y de la pale 2, faisant ainsi saillie depuis l'intrados 25 et l'extrados 26 de 25 la pale 2. Le pied 3 comporte par ailleurs deux parties transversales (référencées 51 et 52 sur la figure 3) s'étendant depuis la plateforme 56 vers le col 4, et formant avec la plateforme 56 une arche. L'échasse 5 comporte également, entre les deux parties 30 transversales, une paroi centrale 50 s'étendant également vers le col 4, parallèlement au plan de la pale 2, et présentant une épaisseur selon l'axe z qui est inférieure aux épaisseurs respectives des parties transversales suivant le même axe z. La paroi centrale 50 joint ensemble les deux parties transversales 51 et 52, lesquelles s'étendent transversalement à la paroi centrale 50.

Chaque partie transversale 51, 52 présente une épaisseur moyenne selon l'axe x plus faible que l'épaisseur moyenne de la partie centrale, conférant à l'échasse une section radiale (normale à l'axe y) globalement en forme de « H ». La paroi centrale 50 et les deux parties transversales 51 et 52 définissent ainsi ensemble deux cavités opposées 6 et 6' (figure 3), également appelées « poches », entre les deux parties transversales 51 et 52. La paroi centrale 50 comporte deux surfaces opposées P et P', chacune formant le fond d'une des cavités 6, 6'. Une des cavités, dite première cavité, référencée 6 sur la figure 2, 15 est agencée côté intrados 25. L'autre cavité (opposée à la première cavité) est dite deuxième cavité et est référencée 6' sur la figure 3. La deuxième cavité est située coté extrados 26. Cavité côté intrados 20 En référence aux figures 2 et 3, le fond de la première cavité 6 s'étend entre les parties transversales 51 et 52 selon l'axe d'écoulement x, et s'étend entre la plateforme 56 et le col 4 sur une hauteur H selon l'axe longitudinal z. Ce fond est formé par une portion de surface de la paroi centrale. 25 Le fond P de la première cavité 6 présente une première face sensiblement plane 61 et une deuxième face sensiblement plane 62 sécantes jointes par une zone de raccordement 60. On entend ici par « zone de raccordement », une portion de surface de liaison entre les deux faces planes 61 et 62. 30 La première face 61 est orientée sensiblement parallèlement à l'axe d'écoulement x et parallèlement au plan de la pale 2 qui est formé par les axes x et y. La première face 61 est raccordée à la partie transversale 51 illustrée à gauche de la figure 2 et en haut de la figure 3, qui est la partie transversale la plus proche du bord d'attaque 23 de la pale 2.

La première face 61 présente une largeur L1 suivant l'axe d'écoulement x qui compris entre 2/5 et 4/5 de la largeur totale L de la cavité 6 suivant le même axe x, préférentiellement égale à 3/5 de la largeur totale L. La première face est par ailleurs prolongée tangentiellement par 10 une portion de surface du col 4, ce qui permet de faciliter encore l'usinage de l'aube ainsi que l'engagement du bulbe dans le logement d'un disque tournant prévu à cet effet. La deuxième face 62 est raccordée à la partie transversale 52 illustré à droite de la figure 2 et en bas de la figure 3, qui est la partie 15 transversale la plus proche du bord de fuite 24 de la pale 2. La zone de raccordement 60 s'étend sensiblement en parallèle à l'axe y de direction radiale de la pale 2 ; plus précisément, la zone de raccordement 60 comprend au moins une génératrice sensiblement parallèle à l'axe y de direction radiale de la pale 2. Une telle génératrice 20 rend la pièce plus facilement usinable par fraisage. La rectification et un usinage par ECM est en outre contrôlable par un dispositif de mesure tridimensionnelle. La zone de raccordement 60 peut par ailleurs être de type à rayon progressif, dont chaque génératrice est sensiblement parallèle à l'axe y de 25 direction radiale de la pale 2. La zone de raccordement 60 définit une concavité dans la cavité 6, comme représenté sur les figures 2 et 3, afin de simplifier son usinage. Une telle zone de raccordement à rayon progressif permet notamment de diminuer les contraintes subies par la pièce par rapport à une zone de raccordement sous forme d'une arête 30 vive.

La deuxième face 62 est inclinée par rapport à la première face 61 ; ce deuxième plan 62 est orienté de façon à former avec la première face 61 un fond de forme générale concave pour la cavité 6. En d'autres termes, l'extrémité du deuxième plan 62 joignant la partie transversale la plus proche du bord de fuite 24 (et opposée à l'extrémité du deuxième plan 62 liée à la zone de raccordement 60) est plus éloignée du plan de la pale 2 que la zone de raccordement 60. L'angle a formé entre les faces 61 et 62 est de préférence compris entre 20 et 40 degrés, et très préférentiellement de 30 degrés (on définit ici comme angle a l'angle représenté sur la figure 3, correspondant à l'angle entre les vecteurs normaux respectifs des deux faces planes 61 et 62, vecteurs normaux étant orientés vers l'extérieur de la cavité). La partie transversale 51, qui se trouve être la plus éloignée du bord de fuite de la pale et la plus proche du bord d'attaque (en haut à droite sur la figure 3) présente également une extrémité transversale libre 55 participant à définir l'ouverture de la cavité 6. La partie transversale 51 présente une portion de surface 63 participant à définir la cavité 6, cette portion de surface 63 joignant ensemble l'extrémité 55 et la première face 61, par exemple perpendiculairement à la première face 61. Des zones de raccordement de type à rayon progressif peuvent être prévues entre l'extrémité 55 et la portion 63 et/ou entre la portion 63 et la première face 61. La partie transversale 52 qui se trouve être la plus proche du bord de fuite de la pale (en bas à gauche de la figure 3) présente également 25 une extrémité transversale libre 54 qui participe à définir l'ouverture de la première cavité 6. La deuxième face s'étend depuis la zone de raccordement 60 jusqu'à l'extrémité 54, afin de limiter les efforts de traction engendrés par le bord de fuite de la pale. 30 En variante non illustrée, la partie transversale 52 présente une portion de surface participant à définir la cavité 6, joignant ensemble l'extrémité 54 et la deuxième face 62, par exemple perpendiculairement à la première face 61, en regard de la portion 63. On a indiqué sur la figure 3 en pointillés longs et courts alternés le profil d'une aube selon le premier type présenté en introduction. On 5 constate que la deuxième face inclinée définit une venue de matière supplémentaire dans la cavité 6, comparativement à une cavité de ce premier type d'aube. La cavité selon le mode de réalisation représenté en figure 3 présente un profil trapézoïdal, alors que la cavité de l'aube selon le premier type de l'art antérieur présente un profil globalement 10 rectangulaire. Cavité côté extrados La deuxième cavité 6' présente des caractéristiques similaires à de la première cavité évoquées ci-dessus. 15 Chacune des caractéristiques suivantes, localisée du côté intrados de l'échasse et référencée X, peut être répliquée en une caractéristique référencée X' correspondante localisée du côté extrados de l'échasse : les extrémités transversales libres 54 et 55, les portions de surfaces 61, 62, 63, la zone de raccordement 60, l'angle a. 20 Les zones de raccordement 60, 60' des cavités 6, 6' sont localisés à des positions respectives selon l'axe d'écoulement x qui sont différentes dans le mode de réalisation illustré en figure 3. Par ailleurs, l'angle a' formé entre les faces 60' et 61' de la deuxième cavité 6', est différent de l'angle a dans ce même mode de réalisation. L'angle a' peut en 25 particulier être compris entre 5 et 15 degrés, préférentiellement 10 degrés. Un tel angle de 10 degrés fournit un bon compromis entre la diminution des contraintes mécaniques subies par l'aube côté extrados et la fabricabilité par usinage.. Dans un mode de réalisation alternatif non illustré, les deux cavités 30 peuvent être symétriques entre elles par rapport à un plan central de l'échasse 5 s'étendant dans la paroi centrale 50.

Sont illustrées sur la figure 4 plusieurs courbes de niveau montrant une répartition de contrainte mécaniques de Von Mises absorbées par, respectivement, une aube selon le premier type présenté en préambule (les deux courbes du haut), et une aube selon un mode de réalisation (les deux courbes du bas). Les contraintes mécaniques sont exprimées en méga pascals (MPa). On constate que des contraintes mécaniques dans le col 4, côté intrados 25, sont diminuées dans l'aube selon un mode de réalisation de l'invention (149 MPa sur la courbe en bas à droite de la figure 3), par rapport aux contraintes rencontrées dans la même zone de l'aube de l'art antérieur (290 MPa sur la figure en haut à droite de la figure 3). L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation présentés ci-dessus ; l'aube selon l'invention peut également être utilisée dans d'autres types d'organes de turbomachine que des turbines basse 15 pression, sujets à des contraintes mécaniques similaires.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Aube (1) mobile pour organe de turbomachine, l'aube (1) comprenant une pale (2) présentant un axe d'écoulement (x), un pied (3) comprenant : o un col (4), et o une échasse (5) reliant la pale (2) au col (4), l'échasse (5) comprenant une paroi centrale (50) s'étendant le long de l'axe d'écoulement (x), et deux parties transversales (51,52) s'étendant transversalement à la paroi centrale (50) de façon à former au moins une cavité (6), la paroi centrale (50) définissant le fond (P) de la cavité, l'aube (1) étant caractérisée en ce que le fond de la cavité (P) comporte deux faces sensiblement planes sécantes (61,62) jointes par une zone de 15 raccordement (60).
2. 2. Aube (1) mobile selon la revendication 1, dans laquelle la zone de raccordement (60) présente au moins une génératrice parallèle à la direction radiale (y) de la pale (2). 20
3. 3. Aube (1) mobile selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle la zone de raccordement (60) est à rayon progressif.
4. 4. Aube (1) mobile selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle 25 l'une des faces, dite première face (61), est orientée sensiblement parallèlement à l'axe d'écoulement (x).
5. 5. Aube (1) selon la revendication 4 de façon à ce qu'une portion de surface du col (4) prolonge tangentiellement la première face (61). 30
6. 6. Aube (1) mobile selon l'une des revendications 4 et 5, la première face (61) présente une largeur (L1) selon l'axe d'écoulement (x) sensiblement égale à 3/5 de la largeur (L) de la cavité (6) selon l'axe d'écoulement (x).
7. 7. Aube (1) mobile selon l'une des revendications 4 à 6, dans laquelle la pale présente un bord de fuite (24), et l'autre des deux faces (62) s'étend jusqu'à une extrémité transversale libre (54) de la partie transversale (52) la plus proche du bord de fuite (24).
8. 8. Aube (1) mobile selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle la pale présente un coté intrados (25) et un côté extrados (26) opposé au côté intrados (25), les deux parties transversales (51,52) s'étendant transversalement à la paroi centrale (50) de façon à former une première cavité (6) du côté intrados (25), les deux faces sécantes (61,62) du fond (P) de la première cavité étant reliés par un raccordement (60) formant un angle (a) compris entre 20 et 40 degrés, préférentiellement 30 degrés.
9. 9. Aube (1) mobile selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle la pale présente un coté intrados (25) et un côté extrados (26) opposé au côté intrados (25), les deux parties transversales (51,52) s'étendant transversalement à la paroi centrale (50) de façon à former une deuxième cavité (6') du côté extrados (26), les deux faces sécantes (61',62') du fond (P') de la deuxième cavité étant reliés par un raccordement (60') formant un angle (a') compris entre 5 et 15 degrés, préférentiellement 10 degrés.
10. 10. Organe de turbomachine comprenant au moins une aube (1) mobile selon l'une des revendications précédentes.