FR3058181A1

FR3058181A1 - Renfort de bord d'attaque d'une aube de turbomachine

Info

Publication number: FR3058181A1
Application number: FR1660479A
Authority: FR
Inventors: Jean-Louis ROMERO; Jean-Francois Frerot
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-04
Anticipated expiration: 2036-10-28
Also published as: CN108005730A; EP3315721A1; EP3315721B1; US10316669B2; CN108005730B; FR3058181B1; US20180119551A1

Abstract

L'invention concerne une aube de turbomachine, comprenant une surface (28) aérodynamique qui s'étend selon une première direction entre un bord (8a) d'attaque et un bord de fuite, et selon une deuxième direction sensiblement perpendiculaire à la première direction entre un pied et un sommet (8d) de l'aube, et un renfort (32) de bord d'attaque comprenant une ailette (32a) recouvrant en partie la surface aérodynamique (28) de l'aube, caractérisée en ce que, l'ailette (32a) présente un bord (34) radialement extérieur agencé au voisinage du sommet (8d) de l'aube et s'étendant entre le bord (8a) d'attaque et le bord de fuite, ce bord (34) radialement extérieur comprenant un point (34a) amont affleurant le sommet (8d) de l'aube au niveau du bord (8a) d'attaque et un point (34b) dit aval écarté du sommet (8d) de l'aube.

Description

Titulaire(s) : SAFRAN AIRCRAFT ENGINES Société par actions simplifiée.

Demande(s) d’extension

Mandataire(s) : ERNEST GUTMANN - YVES PLASSERAUD SAS.

RENFORT DE BORD D'ATTAQUE D'UNE AUBE DE TURBOMACHINE.

FR 3 058 181 - A1

RENFORT DE BORD D’ATTAQUE D’UNE AUBE DE TURBOMACHINE

La présente invention concerne une aube de turbomachine, et plus particulièrement un renfort de bord d’attaque de cette aube.

Par aube on entend ici à la fois les aubes mobiles et les aubes fixes des turbomachines.

Afin d’augmenter la résistance des aubes aux FOD (acronyme de l’anglais Foreign Object Damages) dans le flux d’air, c’est-à-dire aux corps étrangers tels que les oiseaux ou les grêlons, celles-ci comprennent un renfort de bord d’attaque dont le rôle est de protéger le bord d’attaque d’une détérioration lors d’un impact avec un FOD et de répartir l’effort de l’impact une grande surface de l’aube.

Un renfort du bord d’attaque d’aube comprend classiquement une ailette d’extrados recouvrant au moins partiellement la surface aérodynamique d’extrados de l’aube et une ailette d’intrados recouvrant au moins partiellement la surface aérodynamique d’intrados de l’aube, ces deux ailettes étant jointes par un bord d’attaque du renfort.

Lorsque l’aube est mobile par rapport à l’axe de la turbomachine, elle tourne sa surface d’intrados en avant, c’est-à-dire que l’air vient au contact sur la surface d’intrados créant ainsi une surpression sur la surface d’intrados et une dépression sur sa surface d’extrados.

L’impact d’un FOD sur le renfort de bord d’attaque a tendance à provoquer un décollement de la portion supérieure de l’ailette d’intrados. Au-delà d’une certaine masse des FOD, la force des impacts est plus importante sur le renfort, ce qui provoque également un décollement de la portion supérieure de l’ailette d’extrados. La surpression générée sur la surface d’intrados tend à limiter le décollement de l’ailette d’intrados à la surface d’intrados. En revanche la combinaison de la force centrifuge, plus importante en sommet d’aube qu’en pied, avec la dépression générée sur la surface d’extrados, tend à favoriser le décollement de l’ailette d’extrados.

Lorsque l’aube est une aube de soufflante montée dans un carénage externe portant une couche interne d’abradable en regard des aubes, le décollement de l’ailette d’extrados provoque un endommagement de la couche interne d’abradable. En effet, l’ailette d’extrados fait saillie de la surface d’extrados de l’aube et pénètre dans la couche interne d’abradable ce qui crée un sillon dans la couche interne d’abradable. Il est alors nécessaire d’immobiliser la turbomachine pour remplacer à la fois l’aube dont le renfort de bord d’attaque s’est décollé et la couche interne d’abradable. Une telle immobilisation génère un coût important résultant du manque d’exploitation de la turbomachine qu’il est important de réduire, voire de supprimer.

L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème.

A cet effet, l’invention propose, en premier lieu, une aube de turbomachine s’étendant suivant un axe longitudinal, comprenant une surface aérodynamique qui s’étend selon une première direction entre un bord d’attaque et un bord de fuite, et selon une deuxième direction sensiblement perpendiculaire à la première direction entre un pied et un sommet de l’aube, et un renfort de bord d’attaque comprenant une ailette recouvrant en partie la surface aérodynamique de l’aube, caractérisée en ce que, l’ailette présente un bord radialement extérieur agencé au voisinage du sommet de l’aube et s’étendant entre le bord d’attaque et le bord de fuite, ce bord radialement extérieur comprenant un point amont affleurant le sommet de l’aube au niveau du bord d’attaque et un point aval écarté du sommet de l’aube.

L’écartement du point aval du bord supérieur de l’ailette d’extrados permet de limiter la pénétration de l’ailette dans la couche interne d’abradable de la turbomachine, en cas de décollement du point aval de l’aube puisque celui-ci se retrouve alors éloigné de l’abradable du fait de son éloignement au montage du sommet d’aube.

Dans une réalisation particulière de l’invention, le point amont est situé au niveau de l’extrémité amont du bord supérieur, c’est-à-dire au niveau du bord d’attaque de l’aube et le point aval est situé à l’extrémité aval du bord radialement extérieur de l’ailette.

Dans le repère de la turbomachine, on peut ainsi considérer que le point aval est écarté radialement vers l’intérieur du sommet d’aube.

Avantageusement, la surface aérodynamique est une surface d’extrados, et l’ailette est une ailette d’extrados, la partie extrados du renfort étant plus particulièrement sujette au décollement, décollement accru notamment par la force centrifuge pour une pale mobile.

Avantageusement, le bord radialement extérieur de l’ailette comprend un point intermédiaire situé entre le point amont et le point aval et définissant avec le point amont une première portion du bord radialement extérieur, affleurant le sommet de l’aube et, avec le point aval, une seconde portion du bord radialement extérieur s’écartant progressivement du sommet de l’aube en direction du point de fuite.

La séparation en deux portions offre un bon compromis entre limitation de pénétration de l’ailette dans la couche interne d’abradable en cas de décollement de l’ailette, et bonne répartition des efforts en cas d’impact d’un FOD sur le rendort de bord d’attaque.

Le point intermédiaire peut être agencé longitudinalement à égale distance du point amont et du point aval.

Cela permet de protéger l’aube sur toute la hauteur puisque la première portion affleure avec le sommet de l’aube.

De préférence, la seconde portion du bord radialement extérieur de l’ailette extrados est incurvée convexe. Cette forme particulière permet de faciliter la fabrication du renfort et, également, de limiter la création de perturbations dans l’écoulement du flux d’air.

Avantageusement, le point intermédiaire et le point de fuite sont séparés l’un de l’autre d’une distance, mesurée le long d’un axe longitudinal médian de l’ailette, comprise entre 0 et sina x L 4 où :

- L est la longueur de l’ailette avant optimisation, c’est-àdire entre le point amont et un point extrême fictif correspondant à la symétrie du point amont par rapport à l’axe médian sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal de la turbomachine, et passant au moins par le centre du sommet de l’ailette, et

- a est l’angle mesuré entre une ligne passant par le point amont et le point intermédiaire du bord radialement extérieur et une tangente au bord radialement extérieur, parallèle à l’axe longitudinal et passant par le point intermédiaire.

Cette distance offre également un bon compromis entre limitation de pénétration de l’ailette dans la couche interne d’abradable en cas de décollement de l’ailette, et bonne répartition des efforts en cas d’impact d’un FOD sur le rendort de bord d’attaque.

De préférence, le renfort comprend une ailette d’intrados recouvrant en partie une surface aérodynamique d’intrados de l’aube.

Cette ailette d’intrados permet également de protéger la surface aérodynamique d’intrados de l’aube contre les FOD.

Pour assurer une bonne protection de l’aube, le renfort de bord d’attaque est réalisé dans un matériau métallique.

L’invention propose, en deuxième lieu, un ensemble comprenant un disque central sur lequel sont montées une pluralité d’aubes telles que précédemment décrites, lesdites aubes étant régulièrement réparties autour de la périphérie du disque central, et s’étendant sensiblement radialement au disque central.

L’invention propose, en troisième lieu, une turbomachine comprenant un ensemble tel que précédemment décrit.

L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique d’une turbomachine comprenant un ensemble ayant une pluralité d’aubes ;

- la figure 2 est une vue en perspective d’une aube selon l’invention, en particulier une aube de soufflante, cette aube portant un renfort de bord d’attaque limitant la dégradation de la couche interne d’abradable de la turbomachine ;

- la figure 3 est une vue en section de l’aube selon le plan de section lll - lll de la figure 2 ;

- la figure 4 est une vue de détail d’une portion supérieure de l’aube selon l’encart IV de la figure 2, et

- la figure 5 est une vue de détail à échelle agrandie du détail V de la figure 4.

On a représenté, sur la figure 1, une turbomachine 2 ayant un ensemble 4 comprenant un disque 6 central rotatif autour d’un axe longitudinal A de la turbomachine 2, et sur lequel est montée une pluralité d’aubes 8. Les aubes 8 sont régulièrement réparties autour de la périphérie 6a du disque 6 central, et s’étendant sensiblement radialement au disque 6 central. Dans le cas présent, l’ensemble 4 est la soufflante de la turbomachine 2, et les aubes 8 sont les aubes de soufflante.

Classiquement, la turbomachine 2 comprend également, d’amont en aval, et en aval de la soufflante, un compresseur 10 basse pression, un compresseur 12 haute pression, une chambre 14 de combustion, une turbine 16 haute pression, une turbine 18 basse pression, et un carter 20 d’échappement. En outre, pour son accrochage à l’avion, la turbomachine 2 comprend des moyens 22 d’accrochage, en l’espèce deux, portés chacun par un carter 24 intermédiaire de soufflante portant une couche 24a interne d’abradable (visible sur la figure 4), et un carter 26 de turbine.

Dans la suite de cette description on entend par le terme radial(e) toute direction sensiblement perpendiculaire à l’axe A de la turbomachine 2, par amont le côté par lequel l’air atteint une pièce de la turbomachine 2, et par aval le côté par lequel l’air s’éloigne de ladite pièce de la turbomachine 2. La direction d’écoulement d’air est représenté en figure 2 par la flèche F.

Par aube 8, on entend ici à la fois les aubes 8 mobiles (par exemple les aubes de rotor) et les aubes fixes (par exemple les aubes de stator) des turbomachines 2.

L’aube 8, illustrée en perspective sur la figure 2 et en section sur la figure 3, comprend une surface 28 aérodynamique d’extrados et une surface 30 aérodynamique d’intrados qui s’étendent selon une première direction entre un bord 8a d’attaque et un bord 8b de fuite de l’aube 8. L’aube 8 d’une soufflante étant vrillée, la première direction évolue dans un plan XY suivant la section prise dans une direction radiale suivant l’axe Z qui forme avec les axes X et Y un repère orthonormé sur la figure 2. Selon une deuxième direction sensiblement perpendiculaire à la première direction, la surface 28 aérodynamique d’extrados et la surface 30 aérodynamique d’intrados s’étendent entre un pied 8c et un sommet 8d de l’aube 8.

L’aube 8 comprend également un renfort 32 de bord d’attaque comprenant une ailette 32a d’extrados recouvrant en partie la surface 28 aérodynamique d’extrados de l’aube 8 sensiblement radiale, et une ailette 32b d’intrados recouvrant en partie la surface 30 aérodynamique d’intrados de l’aube 8. Ces deux ailettes 32a, 32b présentent, comme visible en figure 3, une section qui va en s’affinant depuis l’amont vers l’aval.

Les deux ailettes 32a, 32b sont jointes par un bord 32c d’attaque qui recouvre le bord 8a d’attaque de l’aube 8 et présente, en section, une épaisseur supérieure à l’épaisseur maximale des ailettes 32a, 32b.

Comme on le voit sur la figure 2, le renfort 32 de bord 8a d’attaque de l’aube 8 s’étend sensiblement depuis le pied 8c de l’aube 8, jusqu’à son sommet 8d.

Le renfort 32 de bord d’attaque est, de préférence, réalisé dans un matériau métallique hautement résistant, tel que par exemple un alliage de titane.

La vue de détail de la figure 4 met en avant une particularité de l’ailette 32a d’extrados du renfort 32 de bord d’attaque. En effet, l’ailette 32a d’extrados présente un bord 34 radialement extérieur (également dit supérieur) agencé au voisinage du sommet 8d d’aube et qui s’étend depuis le bord 8a d’attaque vers le bord 8b (figure 2) de fuite. Ce bord 34 radialement extérieur comprend un point 34a amont qui affleure le sommet 8d de l’aube 8 au niveau du bord 8a d’attaque et un point 34b aval qui est écarté du sommet 8d de l’aube 8. Le terme « supérieur » s’entend selon l’orientation de la figure 4. Autrement dit le bord 34 radialement extérieur est disposé radialement extérieurement par rapport à l’axe A de la turbomachine 2.

On comprendra que le point 34a amont est agencé du côté du bord 8a d’attaque de l’aube 8 et le point 34b aval est agencé du côté du bord 8b de fuite de l’aube 8 selon la direction d’écoulement d’air F (figure 2) sur l’aube 8 depuis le bord 8a d’attaque vers le bord 8b de fuite.

En outre, le bord 34 radialement extérieur supérieur de l’ailette 32a d’extrados comprend un point 34c intermédiaire situé entre le point 34a amont et le point 34b aval et définissant avec le point 34a amont une première portion 36 du bord radialement extérieur, affleurant le sommet 8d de l’aube 8 et, avec le point 34b aval, une seconde portion 38 du bord supérieur s’écartant progressivement du sommet 8d de l’aube 8. Le raccordement de la première portion 36 du bord 34 radialement extérieur avec la seconde portion 38 du bord supérieur est sensiblement tangentiel.

Selon un aspect, le point 34c intermédiaire est agencé à égale distance du point 34a amont et du point 34b aval, selon une direction axiale parallèle à l’axe A longitudinal. Toutefois, le point 34c intermédiaire pourrait être plus proche du point 34a amont ou du point 34b aval.

On a représenté sur la figure 5, un point 34e extrême fictif correspondant à la symétrie du point 34a amont par rapport à un axe médian M sensiblement perpendiculaire à l’axe A de la turbomachine 2, et passant au moins par le centre du sommet de l’ailette 32a d’extrados. Ce point 34e extrême fictif correspond à un point extrême de l’ailette 32a d’extrados avant optimisation de cette dernière.

Avantageusement, ce point 34e extrême permet de définir l’écartement progressif du point 34b aval par rapport au sommet 8d de l’aube 8.

L’écartement de la seconde portion 38 du bord 34 radialement extérieur de l’ailette 32a extrados est de préférence incurvée convexe. Autrement dit, la seconde portion 38 a sensiblement une forme courbe qui s’écarte de manière continue du sommet 8d de l’aube 8 en direction du pied 8c (figure 2) de cette dernière, et ceci d’amont en aval.

Toutefois, selon des variantes de réalisation non représentées sur les figures, la seconde portion 38 du bord 34 radialement extérieur de l’ailette 32a d’extrados pourrait être rectiligne ou, au contraire, comprendre une alternance de bosses et de creux.

Selon un mode préféré de réalisation représenté à la figure 5, le point 34c intermédiaire et le point 34b aval sont séparés l’un de l’autre d’une distance H1 mesurée le long de l’axe M longitudinal médian , c’est-àdire suivant la direction radiale Z, H1 étant comprise entre 0 et sina x L -h 4 où :

- L est la longueur de l’ailette 32a avant optimisation, c’està-dire entre le point 34a amont et le point 34e fictif, et

- a est l’angle mesuré entre une ligne passant par le point 34a amont et le point 34c intermédiaire du bord 34 radialement extérieur et une tangente T audit bord 34 radialement extérieur, parallèle à l’axe longitudinal A de la turbomachine 2 et passant par le point 34 c intermédiaire.

La distance L, la tangente T et l’angle a sont illustrés sur la figure

5.

Ainsi, en cas d’impact d’un FOD sur le renfort 32 de bord d’attaque, si l’ailette 32a d’extrados vient à se décoller, elle ne rentrera pas en contact avec la couche 24a interne d’abradable portée par le carter 24 intermédiaire de soufflante. Dès lors, il ne sera nécessaire que de réparer l’aube 8 qui a été impactée (ou les aubes 8 impactées), ce qui est plus simple, plus rapide et moins onéreux que l’immobilisation complète de la turbomachine 2 pour le remplacement de l’aube 8 impactée (ou des aubes 8 impactées) et du carter 24 intermédiaire de soufflante et de sa couche 24a interne d’abradable.

Pour des raisons de simplicité de fabrication du renfort 32 de bord d’attaque, l’ailette 32b d’intrados comprend également un bord supérieur ayant un point amont affleurant le sommet 8d de l’aube 8 et un point aval distant du point amont et écarté du sommet 8d de l’aube 8, c’està-dire distant radialement intérieurement.

Le bord supérieur de l’ailette 32b d’intrados peut également comprendre un point intermédiaire situé entre le point d’attaque et le point de fuite et définissant avec le point d’attaque une première portion du bord supérieur, affleurant le sommet 8d de l’aube 8 et, avec le point de fuite, une seconde portion du bord supérieur s’écartant progressivement du sommet 8d de l’aube 8 en direction du pied 8c.

Toutefois, les formes et les dimensions des portions de l’ailette

32b d’intrados sont réduites par rapport aux formes et aux dimensions des portions 36, 38 du bord 34 supérieur de l’ailette 32a d’extrados.

Ainsi, on obtiendra un renfort 32 dissymétrique.

Claims

REVENDICATIONS

1. Aube (8) de turbomachine s’étendant suivant un axe longitudinal (A), comprenant une surface (28, 30) aérodynamique qui

5 s’étend selon une première direction entre un bord (8a) d’attaque et un bord (8b) de fuite, et selon une deuxième direction sensiblement perpendiculaire à la première direction entre un pied (8c) et un sommet (8d) de l’aube (8), et un renfort (32) de bord d’attaque comprenant une ailette (32a, 32b) recouvrant en partie la surface aérodynamique (28, 30) de

10 l’aube (8), caractérisée en ce que, l’ailette (32a, 32b) présente un bord (34) radialement extérieur agencé au voisinage du sommet (8d) de l’aube (8) et s’étendant entre le bord (8a) d’attaque et le bord (8b) de fuite, ce bord (34) radialement extérieur comprenant un point (34a) amont affleurant le sommet (8d) de l’aube (8) au niveau du bord d’attaque et un point (34b)

15 aval distant radialement du sommet (8d) de l’aube (8).
2. Aube (8) selon la revendication 1, dans laquelle la surface aérodynamique est une surface (28) d’extrados, et l’ailette est une ailette (32a) d’extrados.
3. Aube (8) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le bord

20 (34) radialement extérieur de l’ailette (32a, 32b) comprend un point (34c) intermédiaire situé entre le point (34a) amont et le point (34b) aval et définissant avec le point (34a) amont une première portion (36) du bord (34) radialement extérieur, affleurant le sommet (8d) de l’aube (8) et, avec le point (34b) aval, une seconde portion (38) du bord (34) radialement

25 extérieur s’écartant progressivement du sommet (8d) de l’aube (8) en direction du point (34b) aval.
4. Aube (8) selon la revendication 3, dans laquelle le point (34c) intermédiaire est agencé longitudinalement à égale distance du point (34a) amont et du point (34b) aval.
5. Aube (8) selon l'une quelconque des revendications 3 à 4, dans laquelle la seconde (38) portion du bord (34) radialement extérieur de l’ailette (32a, 32b) est incurvée convexe.
6. Aube (8) selon l’une des revendications 3 à 5, dans laquelle le point (34c) intermédiaire et le point (34b) aval sont séparés l’un de l’autre d’une distance (H1), mesurée le long d’un axe (M) longitudinal médian de l’ailette, comprise entre 0 et sina x L 4- 4 où :

- L est la longueur de l’ailette (32a) avant optimisation, c’est-à-dire entre le point (34a) amont et un point (34e) extrême fictif correspondant à la symétrie du point (34a) amont par rapport à l’axe médian (M) sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal (A) de la turbomachine (2), et passant au moins par le centre du sommet de ladite ailette, et

- a est l’angle mesuré entre une ligne passant par le point (34a) amont et le point (34c) intermédiaire du bord (34) radialement extérieur et une tangente (T) au bord (34) radialement extérieur, parallèle à l’axe longitudinal (A) et passant par le point (34c) intermédiaire.
7. Aube (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le renfort (32) de bord d’attaque comprend une ailette (32b) d’intrados recouvrant en partie une surface (30) aérodynamique d’intrados de l’aube (8).
8. Aube (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le renfort (32) de bord d’attaque est réalisé dans un matériau métallique.
9. Ensemble (4) comprenant un disque (6) central sur lequel sont montées une pluralité d’aubes (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, lesdites aubes (8) étant régulièrement réparties autour de la périphérie (6a) du disque (6) central, et s’étendant sensiblement radialement par rapport au disque (6) central.
10. Turbomachine (2) comprenant un ensemble (4) selon la revendication 9.

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