FR3041989A1

FR3041989A1 - Aube comportant un bord de fuite comprenant trois regions de refroidissement distinctes

Info

Publication number: FR3041989A1
Application number: FR1502074A
Authority: FR
Inventors: Patrice Eneau; Sebastien Serge Francis Congratel; Charlotte Marie Dujol; Philippe Picot
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2017-04-07
Anticipated expiration: 2035-10-06
Also published as: US10767491B2; WO2017060613A1; GB201805442D0; FR3041989B1; GB2558113B; US20180306035A1; GB2558113A

Abstract

L'invention a pour objet une aube (12) de turbine comprenant un pied (P) portant une pale (11) s'étendant selon une direction d'envergure (EV) en se terminant par un sommet (S), cette pale (11) comprenant un bord d'attaque (16) et un bord de fuite (17) reliés par une paroi d'intrados (14) et une paroi d'extrados, le bord de fuite (17) comportant du côté intrados (14) des fentes (22, 24, 31) de refroidissement. Le bord de fuite (17) comporte : - une ou plusieurs premières fentes (31) proches du pied (P) qui sont alimentées par une cavité inférieure (29) ; - une ou plusieurs dernières fentes (24) proches du sommet (S) alimentées par une cavité supérieure (23) ; - des fentes intermédiaires (22) situées entre les premières fentes (31) et les dernières fentes (24) alimentées en air par une rampe aval (21) ; et en ce que les cavités inférieure (29) et supérieure (23) et la rampe aval (21) sont alimentées distinctement au niveau du pied (P).

Description

AUBE COMPORTANT UN BORD DE FUITE COMPRENANT TROIS REGIONS DE

REFROIDISSEMENT DISTINCTES

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne une aube de moteur d'aéronef de type turbomachine, tel que par exemple un turboréacteur à double flux ou un turbopropulseur à double flux.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

Dans un tel moteur 1, l'air extérieur est admis dans une manche d'entrée 2 pour traverser une soufflante 3 comportant une série de pales rotatives avant de se scinder en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire.

Le flux primaire est ensuite compressé en traversant un premier et un second étage de compression 4 et 6, avant d'arriver dans une chambre de combustion 7, après quoi il se détend en traversant un ensemble de turbines 8 avant d'être évacué vers l'arrière en générant de la poussée. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement vers l'arrière par la soufflante pour générer une poussée complémentaire.

La détente dans les turbines 8, qui permet d'entraîner le compresseur 4, 6 et la soufflante 3, a lieu à température élevée du fait qu'elle se produit immédiatement après la combustion. Cette turbine 8 est ainsi conçue et dimensionnée pour fonctionner dans des conditions sévères de température, de pression et de débit de fluide.

Chaque turbine comporte une succession d'étages comprenant chacun une série d'aubes portées par l'arbre moteur, les aubes soumises aux conditions les plus sévères étant celles des premiers étages de détente, appelés étages haute pression.

Les besoins accrus en performances conduisent à concevoir des moteurs fonctionnant dans des environnements de plus en plus sévères, ce qui implique d'accroître la tenue en température des aubes haute pression, et par là même de reconsidérer leur refroidissement.

Le refroidissement est assuré en faisant circuler à l'intérieur de l'aube de l’air frais prélevé en amont de la combustion et admis en pied d'aube, pour cheminer le long d'un circuit interne de l'aube.

Ce circuit a typiquement une forme dite en trombone en s'étendant sur toute la hauteur de l'aube, depuis le bord d'attaque situé à l'amont de cette aube jusqu'au bord de fuite situé à l'aval de l'aube, l'amont et l'aval s'entendant par rapport au sens de circulation du fluide entourant l'aube en service. L'air de refroidissement circulant dans l'aube est évacué hors de celle-ci par des perçages traversant sa paroi, qui permettent en outre de créer à la surface externe de l'aube un film d'air plus froid que l'air issu de la combustion, pour limiter la température de l'aube.

Le but de l'invention est de proposer une structure d'aube permettant d'améliorer l'efficacité de son refroidissement au niveau du bord de fuite de cette aube.

EXPOSÉ DE L'INVENTION A cet effet, l'invention a pour objet une aube de turbine de turbomachine telle qu'un turbopropulseur ou un turboréacteur, cette aube comprenant un pied portant une pale s'étendant selon une direction d'envergure en se terminant par un sommet cette pale comprenant un bord d'attaque et un bord de fuite situé en aval du bord d'attaque, cette pale comprenant une paroi d'intrados et une paroi d'extrados reliant chacune le bord d'attaque au bord de fuite le bord de fuite comportant du côté intrados une série de fentes traversantes alimentées avec de l'air de refroidissement, caractérisé en ce que ces fentes comportent : - une ou plusieurs premières fentes qui sont les plus proches du pied et qui sont alimentées par une cavité inférieure de l'aube ; - une ou plusieurs dernières fentes qui sont les plus proches du sommet et qui sont alimentées par une cavité supérieure de l'aube ; - des fentes intermédiaires situées entre les premières fentes et les dernières fentes et qui sont alimentées par une rampe aval de la pale ; et en ce que la cavité inférieure la cavité supérieure et la rampe aval sont alimentées en air de manière distincte au niveau du pied de l'aube

Grâce à cet agencement, le refroidissement du bord de fuite peut être amélioré au niveau du sommet de l'aube et au niveau de sa base, c'est-à-dire au voisinage de son pied. En effet, la région du sommet du bord de fuite est fortement contrainte du fait notamment des températures qui y sont très élevées, et la base du bord de fuite est elle aussi fortement contrainte du fait qu'elle supporte tous les efforts centrifuges appliqués à la pale en service. L'invention concerne également une aube ainsi définie, comprenant un conduit aval d'alimentation en air de la rampe aval ce conduit aval étant relié à la rampe aval par une série de trous pour assurer une alimentation calibrée de cette rampe aval L'invention concerne également une aube ainsi définie, dans laquelle la cavité inférieure et la rampe de refroidissement des fentes intermédiaires s'étendent dans le prolongement l'une de l'autre selon la direction d'envergure de la pale L'invention concerne également une aube ainsi définie, comprenant une seule première fente et/ou une seule dernière fente. L'invention concerne également une aube ainsi définie, dans laquelle la cavité supérieure est située au niveau du sommet de l'aube en étant agencée pour refroidir ce sommet. L'invention concerne également une aube ainsi définie, comprenant une cavité latérale d'intrados située entre le conduit central et la paroi d'intrados de la pale pour constituer un écran thermique protégeant le conduit central. L'invention concerne également une aube ainsi définie, comprenant une cavité latérale d'extrados située entre le conduit central et la paroi d'extrados de la pale pour constituer un écran thermique protégeant le conduit central. L'invention concerne également de moyens de moulage pour la fabrication d'une aube ainsi définie, comprenant un noyau destinés à délimiter au moins une partie de l'espace interne de l'aube lors de sa fabrication par moulage. L'invention a également pour objet une turbine de turbomachine comprenant une aube ainsi définie. L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant une turbine ainsi définie.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La figure 1 est une vue schématique d'un turboréacteur à double flux en coupe longitudinale ;

La figure 2 est une vue en perspective d'une aube selon l'invention ;

La figure 3 est une vue en perspective d'un ensemble de noyaux délimitant l'intérieur de l'aube selon l'invention lors de son moulage ;

La figure 4 est une vue en coupe transversale d'un ensemble de noyaux délimitant l'intérieur de l'aube selon un second mode de réalisation de l'invention ;

La figure 5 est une vue en perspective d'un ensemble de noyaux délimitant l'intérieur de l'aube selon le second mode de réalisation de l'invention ;

La figure 6 est une vue latérale d'un ensemble de noyau délimitant l'aube selon une variante du second mode de réalisation de l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'aube selon l'invention qui apparaît sur la figure 2 en y étant repérée par 11 comporte un pied P portant une pale 12 s'étendant selon une direction d'envergure EV radiale par rapport à son axe de rotation AX. La pale 12 s'étend depuis une base ou plateforme par laquelle elle est raccordée au pied P jusqu'à un sommet S correspondant à son extrémité libre, et elle comporte une paroi d'extrados ainsi qu'une paroi d'intrados 14. L'extrados et l'intrados 14 se rejoignent d'une part au niveau du bord d'attaque 16 de la pale qui correspond à sa région amont AM, et d'autre part au niveau de son bord de fuite effilé 17 qui correspond à sa région aval AV. L'amont et l'aval s'entendent par rapport au sens de circulation du fluide entourant la pale en service.

Comme visible sur les figures 3 et 4, l'intérieur de cette aube comporte un conduit central 18 en aval duquel s'étend un conduit aval 19 qui longe le conduit central 18 pour alimenter de façon calibrée une rampe aval 21. Cette rampe aval 21 alimente à son tour en air frais un ensemble de fentes 22 de refroidissement du bord de fuite 17. Cette aube comporte encore d'autres parties non représentées comme notamment un conduit et/ou une rampe amont, situé en amont du conduit central et agencé pour fournir de l'air de refroidissement au bord d'attaque.

Dans la région correspondant au sommet S de l'aube, le conduit central 18 est prolongé par une cavité supérieure 23 de refroidissement du sommet d'aube. Cette cavité supérieure 23 s'étend de la partie centrale ou amont jusqu'à la partie aval de l'aube, et elle alimente par sa portion aval la dernière fente 24 de refroidissement du bord de fuite. Cette dernière fente 24 est celle qui est la plus proche du sommet S d'aube le long de la direction d'envergure EV.

Comme visible sur la figure 3, le conduit central 18 s'étend sur sensiblement toute la hauteur de la pale le long de l'axe d'envergure EV. L'extrémité du conduit central 18 qui est située dans la région du sommet de l'aube est raccordée à une partie amont de la cavité supérieure 23 afin d'alimenter en air de refroidissement cette cavité supérieure.

Le conduit central 18 et la cavité supérieure 23 alimentée par ce conduit central sont délimités lors de la fabrication de l'aube par un élément El formant partie d'un noyau, ce noyau étant retiré par exemple par attaque chimique lorsque l'aube a été coulée.

Le conduit 19 présente une longueur sensiblement plus faible que le conduit 18, il longe ce conduit 18 et son extrémité libre est située en vis-à-vis de la cavité supérieure 23. Il communique avec la rampe aval 21 par une série de trous calibrés 26 répartis et régulièrement espacés sur toute la longueur de la rampe 21 le long de la direction d'envergure EV, et orientés perpendiculairement à cette direction EV. Ces trous de communication 26 permettent d'assurer une alimentation calibrée de la rampe 21, pour que le débit d'air soit le plus homogène possible dans les différentes fentes de refroidissement du bord de fuite.

Le conduit aval 19 et la rampe aval 21 sont délimités lors de la fabrication de l'aube par un deuxième élément E2 constituant une autre partie du noyau qui est supprimé après moulage de l'aube par attaque chimique.

Des trous 25 peuvent être réalisées à travers les parois d'intrados d'extrados de l'aube pour évacuer l'air circulant dans son espace interne tout en formant un film d'air extérieur longeant l'intrados pour l'isoler de la chaleur du flux entourant l'aube en service.

Comme visible sur la figure 3, la rampe aval 21 longe le conduit aval 19 pour comporter, tout comme ce conduit 19, une extrémité libre 27 située en vis-à-vis de la cavité supérieure 23. Mais cette rampe aval 21 présente une longueur inférieure à celle du conduit 19 le long de la direction d'envergure EV, du fait qu'elle ne débute pas au niveau de la base de la pale.

La rampe aval 21 présente une extrémité inférieure 28 qui est espacée de la base de la pale, de sorte que cette rampe aval 21 alimente en air les fentes 22 du bord de fuite qui comportent la seconde fente en partant de la base de la pale et les suivantes jusqu'à l'avant-dernière fente avant d'atteindre le sommet de pale.

Comme indiqué plus haut, c'est la portion aval de la cavité supérieure 23 qui alimente la dernière fente 24. Mais c'est aussi une cavité inférieure distincte, repérée par 29, qui alimente de manière distincte et indépendante la première fente, à savoir la fente 31. Cette fente 31 est la première fente du bord de fuite 17, en partant de la base de la pale, c'est-à-dire la fente du bord de fuite 17 qui est la plus proche du pied P de l'aube.

Ainsi, la rampe aval 21 s'étend dans le prolongement de la cavité inférieure 29, la cavité inférieure 29 et la rampe 21 longeant toutes deux le conduit aval 19. Mais la cavité inférieure 29 est alimentée directement en air depuis le pied P de la pale 11, au lieu d'être alimentée par le conduit aval 19, et elle alimente uniquement la première fente 31 de refroidissement du bord de fuite 17 de la pale.

Lors de la fabrication, la cavité inférieure 29 est elle aussi délimitée par un élément E3 formant une autre partie du noyau qui est supprimé par attaque chimique à l'issue du moulage.

Alternativement, l'aube pourra être réalisée par le procédé de fabrication additive.

Dans ces conditions, l'alimentation en air des fentes de refroidissement du bord de fuite 17 est assurée de manière distincte pour la première fente 31 et pour la dernière fente 24, respectivement par la cavité inférieure 29 et par la cavité supérieure 23. Cette alimentation est assurée de façon conjointe par la rampe 21 pour toutes les fentes intermédiaires 22 qui sont situées entre la première fente 31 et la dernière fente 24.

Les fentes du bord de fuite 17 peuvent être distinguées en trois zones, à savoir une première zone ZI proche de la base comprenant uniquement la première fente dans l'exemple des figures, une deuxième zone Z2 dite intermédiaire comportant une série de fentes intermédiaire, et une troisième zone Z3 correspondant au sommet et comportant uniquement la dernière fente dans l'exemple des figures. Ces trois zones Zl, Z2, Z3 sont alimentées de manière indépendante en air de refroidissement, de façon à optimiser et régulier au mieux le refroidissement du bord de fuite.

On pourra le cas échéant prévoir que la première zone Zl comporte non pas une seule première fente comme dans l'exemple des figures, mais plusieurs premières fentes contiguës qui sont les plus proches du pied. De la même manière, la troisième zone peut elle aussi comporter non pas une seule dernière fente comme dans l'exemple des figures, mais plusieurs des dernières fentes contiguës situées au niveau du sommet de l'aube, c'est-à-dire plusieurs dernières fentes et non pas une seule comme dans l'exemple des figures.

Comme visible sur la figure 3, la limite entre la première zone Zl et la deuxième zone Z2 est située bien en deçà de la moitié de la hauteur de la pale le long de l'axe d'envergure EV. En pratique, les premières fentes, qui correspondent à la première zone Zl, s'étendent sur environ vingt pourcents de la hauteur du bord de fuite selon l'axe EV en partant de la base de la pale, c'est-à-dire en partant de la plateforme séparant le pied de l'aube de la pale.

Complémentairement, le conduit central 18 peut être isolé thermiquement des parois d'intrados 14 et d'extrados de l'aube par une cavité latérale d'intrados 32 et/ou par une cavité latérale d'extrados 33, comme illustré sur les figures 4 et 5.

La cavité latérale 32 présente alors une faible épaisseur en s'étendant en regard de la majorité de la surface du conduit 18, de manière à constituer un écran thermique : le conduit 18 est alors séparé de la paroi d'intrados par cette cavité latérale 32.

La cavité latérale 33 qui est du même type, constitue de manière analogue un écran thermique qui est situé du côté extrados de l'aube, pour séparer le conduit 18 de la paroi d'extrados.

Chaque cavité latérale 32, 33 est formée d'un seul tenant, et elle longe l'intrados ou l'extrados en présentant une faible épaisseur. Elle est délimitée par un contour généralement rectangulaire et elle s'étend sur la majorité de la hauteur de la pale et sur toute la longueur du conduit amont le long de l'intrados, de l'extrados ou de l'axe AX. Chaque cavité latérale 32, 33 est alimentée en air via le pied de l'aube de façon directe, c'est-à-dire indépendamment des autres conduits, cavités ou rampes de l'aube.

Dans l'exemple des figures, les cavités latérales 32, 33 couvrent uniquement le conduit central 18, mais leur longueur peut aussi être étendue pour qu'elles couvrent également le conduit aval 19 afin de l'isoler lui aussi des parois d'intrados et/ou d'extrados de l'aube. La longueur des cavités latérales 32, 33 peut également être étendue en amont pour couvrir d'autres cavités de l'aube. L'alimentation distincte et indépendante des conduits 18 et 19 et de la cavité 29 peut être assurée par trois embouchures distinctes collectant chacune l'air indépendamment au niveau du pied de pale. Cette alimentation distincte peut aussi être assurée, comme représenté schématiquement en figure 6, par une même embouchure 34, de sorte à faciliter la fabrication de l'aube, située au niveau du pied de pale et qui se scinde en trois canaux distincts pour alimenter séparément les conduits 18,19 et la cavité 29. L'invention permet d'optimiser le refroidissement du bord de fuite d'une aube d'un étage haute pression, en favorisant la ventilation du sommet d'aube et de la zone bas de pale sans dégrader celui de la région intermédiaire du bord de fuite. L'alimentation indépendante de la ou des premières fentes permet de mieux maîtriser le refroidissement de cette zone pour éviter notamment des phénomènes de cisaillement de l'air en entrée de ces fentes. Elle permet d'améliorer le refroidissement du bord de fuite dans la région de la base de la pale qui subit tous les efforts centrifuges appliqués à la pale en service. En pratique, cette région est sujette à l'apparition d'amorces de rupture au niveau du congé de raccordement avec le pied ou la plateforme de la pale. La plateforme désigne la portion généralement plane d'orientation normale à l'axe d'envergure située entre la pale et le pied. L'alimentation indépendante de la ou des dernières fentes permet d'optimiser le refroidissement du bord de fuite dans la région du sommet où les températures élevées donnent lieu à des contraintes importantes. Ces contraintes importantes peuvent se traduire par des brûlures, des oxydations, et des pertes de matières pouvant être significatives.

De manière analogue, l'alimentation indépendante des fentes intermédiaires permet de préserver un niveau de refroidissement adéquat pour la portion médiane du bord de fuite. La mise en œuvre d'une alimentation calibrée de la rampe aval d'alimentation des fentes intermédiaires permet d'homogénéiser le refroidissement sur la hauteur, tout en limitant les échauffements et les pertes de charge. D'une manière générale, le fait de distinguer trois zones pour le refroidissement du bord de fuite permet de calibrer ou de réguler plus finement le refroidissement des différentes parties du bord de fuite afin d'accroître le refroidissement dans les portions critiques pour ce bord de fuite.

En particulier, grâce aux trois alimentations distinctes d'air de refroidissement du bord de fuite, le risque d'un refroidissement hétérogène défavorisant les premières fentes et les dernières fentes, pour cause par exemple de turbulences internes, est exclu. L'invention permet ainsi de garantir un refroidissement optimal en toutes circonstances pour les parties critiques du bord de fuite. m

Claims

REVENDICATIONS

1. Aube (12) de turbine de turbomachine telle qu'un turbopropulseur ou un turboréacteur, cette aube (12) comprenant un pied (P) portant une pale (11) s'étendant selon une direction d'envergure (EV) en se terminant par un sommet (S), cette pale (11) comprenant un bord d'attaque (16) et un bord de fuite (17) situé en aval du bord d'attaque, cette pale comprenant une paroi d'intrados (14) et une paroi d'extrados reliant chacune le bord d'attaque (16) au bord de fuite (17) le bord de fuite (17) comportant du côté intrados (14) une série de fentes traversantes (22,24,31) alimentées avec de l'air de refroidissement, caractérisé en ce que ces fentes (22,24,31) comportent : - une ou plusieurs premières fentes (31) qui sont les plus proches du pied (P) et qui sont alimentées par une cavité inférieure (29) de l'aube (11) ; - une ou plusieurs dernières fentes (24) qui sont les plus proches du sommet (S) et qui sont alimentées par une cavité supérieure (23) de l'aube (11) ; - des fentes intermédiaires (22) situées entre les premières fentes (31) et les dernières fentes (24) et qui sont alimentées par une rampe aval (21) de la pale (11) ; et en ce que la cavité inférieure (29), la cavité supérieure (23) et la rampe aval (21) sont alimentées en air de manière distincte au niveau du pied (P) de l'aube (12).
2. Aube (12) selon la revendication 1, comprenant un conduit aval (19) d'alimentation en air de la rampe aval (21), ce conduit aval (19) étant relié à la rampe aval (21) par une série de trous (26) pour assurer une alimentation calibrée de cette rampe aval (21).
3. Aube (12) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la cavité inférieure (29) et la rampe (21) de refroidissement des fentes intermédiaires s'étendent dans le prolongement l'une de l'autre selon la direction d'envergure (EV) de la pale (11).
4. Aube (12) selon l'une des revendications précédentes, comprenant une seule première fente (31) et/ou une seule dernière fente (24).
5. Aube (12) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la cavité supérieure (23) est située au niveau du sommet (S) de l'aube (11) en étant agencée pour refroidir ce sommet (S).
6. Aube (12) selon l'une des revendications précédentes, comprenant un conduit central (18) et une cavité latérale d'intrados (32) située entre le conduit central (18) et la paroi d'intrados (14) de la pale (12) pour constituer un écran thermique protégeant le conduit central (18).
7. Aube (12) selon l'une des revendications précédentes, comprenant un conduit central (18) et une cavité latérale d'extrados (33) située entre le conduit central (18) et la paroi d'extrados de la pale (12) pour constituer un écran thermique protégeant le conduit central (18).
8. Moyens de moulage pour la fabrication d'une aube selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant un noyau (El, E2, E3) destiné à délimiter au moins une partie de l'espace interne de l'aube (11) lors de sa fabrication par moulage.
9. Turbine de turbomachine comprenant une aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
10. Turbomachine comprenant une turbine selon la revendication précédente.