FR3065985A1 - Promoteur de turbulences d'ecoulements de ventilation pour une aube - Google Patents

Abstract

Les cavités de ventilation latérale d'aubes creuses séparant des régions centrales de l'aube de faces extérieures sont occupées par des inserts (16) munis de canaux entrecroisés et communiquant entre eux (17 et 18), de manière à instaurer un écoulement fortement turbulent, apte à produire un flux thermique important vers l'air de ventilation et à parfaire ainsi indirectement la ventilation des régions centrales.

Description

PROMOTEUR DE TURBULENCES D'ECOULEMENTS DE VENTILATION POUR UNE AUBE

DESCRIPTION

Le sujet de l'invention est un promoteur de turbulences d'écoulements pour une aube, qui peut typiquement être une aube de turbomachine, utilisée par exemple dans la turbine à haute pression.

Le besoin accru en performances et l'évolution des réglementations d'aéronautique poussent les motoristes à concevoir des moteurs de plus faibles tailles, fonctionnant dans des environnements plus durs en température, pression ou vitesse de rotation.

La tendance à augmenter les températures de la veine d'écoulement des gaz, par exemple à l'entrée de la turbine à haute pression, contraint ainsi à des optimisations du refroidissement interne des aubes creuses.

Certaines aubes sont en effet creuses et comprennent un groupe de cavités centrales parcourues par un écoulement d'air plus frais, originaire des compresseurs de la machine et qui contribue donc à maintenir l'aube à une température plus basse que les gaz ambiants. Cette conception est perfectionnée dans certaines aubes creuses plus complexes, où les cavités centrales sont complétées par des cavités latérales de faible épaisseur qui sont placées entre les cavités centrales principales et les faces latérales de l'aube. Ces cavités latérales, elles aussi parcourues par de l'air de refroidissement, contribuent à maintenir les régions centrales de l'aube à une température plus basse en instaurant une barrière thermique supplémentaire.

Il est connu que l'efficacité de ces cavités latérales est améliorée en y rendant l'écoulement de ventilation turbulent, au moyen de certaines structures appelées ici promoteurs de turbulence qui peuvent comprendre des rugosités sur les parois de la cavité latérale, ou des picots ou des nervures saillant de ces parois, voire des pontets joignent les parois opposées de la cavité. Toutes ces structures ont pour effet de rendre l'écoulement irrégulier en perturbant constamment sa direction et d'accroître ainsi l'échange thermique qu'il subit. L'objet de l'invention est de proposer un nouveau promoteur de turbulences dont l'efficacité soit plus grande, c'est-à-dire qui permette un échange de chaleur plus important entre l'air circulant à travers la cavité latérale et la paroi extérieure de l'aube.

Sous une forme générale, l'invention concerne une aube comprenant une cavité latérale interne de ventilation s'étendant entre une face latérale de l'aube et une région centrale de l'aube, caractérisée en ce que la cavité latérale interne consiste en deux réseaux de canaux, les canaux de chacun des réseaux faisant un angle non nul avec une direction de hauteur de l'aube joignant un pied à un bord libre, les canaux d'un premier réseau faisant aussi un angle non nul avec les canaux d'un second réseau, les canaux du premier réseau étant joints par des communications aux canaux du second réseau.

Bien que le promoteur de turbulences de l'invention comporte des canaux de circulation, qui sont en principe défavorables à l'établissement d'un écoulement turbulent, un tel écoulement est obtenu grâce à cette disposition en treillis unitaire et notamment aux communications entre canaux, qui obligent sans cesse une partie du débit de ventilation à passer d'un réseau à l'autre à mesure qu'il se déplace dans la cavité latérale, en suivant un chemin en zigzag qui impose encore une division des filets d'air et une recombinaison à chacune des intersections des canaux.

Les canaux du premier réseau et ceux du second réseau ont favorablement des directions symétriques par rapport à la direction de hauteur, afin de ne pas favoriser la circulation dans un des réseaux, dont les canaux seraient les plus proches de la verticale.

La faculté de changement de réseau de canaux pour les différents filets d'air est de même accrue si les canaux du premier réseau et ceux du second réseau s'étendent dans des couches parallèles mais partiellement confondues, ce qui fait qu'ils ne communiquent pas par des bords latéraux des canaux seulement, mais que les canaux débouchent directement les uns dans les autres sur au moins une partie de leur section à leurs croisements.

On a constaté que les performances les meilleures, où un échange de chaleur important est compatible avec une perte de charge modérée, étaient obtenues avec des configurations où les angles entre les canaux du premier réseau et ceux du second réseau étaient compris entre 80 et 100°.

Ainsi qu'on l'a mentionné, la région centrale sera fréquemment une cavité de ventilation principale de l'aube.

Un autre aspect de l'invention est un procédé de fabrication d'une telle aube, caractérisé en ce qu'il consiste à fabriquer séparément un insert à la forme des réseaux de canaux, puis à mouler l'aube autour de l'insert, et à éliminer l'insert. L'invention sera maintenant décrite dans ses différents aspects, caractéristiques et avantages au moyen des figures suivantes, qui en illustrent certains modes concrets de réalisation non exclusifs d'autres : - la figure 1 est une vue générale extérieure d'une aube creuse ; - la figure 2, une coupe de cette aube ; - la figure 3, le détail des conduits de ventilation ; - les figures 4 et 4A, des vues de la cavité latérale ; - les figures 5, 6 et 7, des vues de trois variantes de réalisation ; - et les figures 8 et 8A, une vue d'un insert de moulage permettant de réaliser la cavité, et une vue de son emploi. L'invention peut être appliquée à une aube telle que celle qui est représentée à la figure 1 et qui comprend une pale 1 aérodynamique et un pied 2 de fixation à un disque par insertion dans un brochage de celui-ci. On définit la direction de hauteur R de l'aube, qui correspond à une direction radiale de la machine quand l'aube est installée sur le disque, et cette direction de hauteur R joint le pied 2 à un bord libre 3 opposé de la pale 1. La pale 1 comprend encore un bord d'attaque 4, un bord de fuite 5, et deux faces latérales 6 et 7 d'intrados et d'extrados qui sont ses faces principales. La pale 1 est creuse et comprend au moins une cavité centrale 8 de ventilation s'étendant du pied 2 jusqu'à proximité du bord libre 3 ; quand plusieurs cavités centrale 8 sont présentes, comme c'est le cas ici, elles peuvent être soit parallèles et parcourues toutes par de l'air de ventilation frais à haute pression originaire d'un compresseur de la machine et ayant traversé un circuit 24 aboutissant au pied 2, soit réunies en forme de serpentin 12 par des conduits de jonction, ce qu'on représente à la figure 3, pour être alors parcourues successivement par un même écoulement. L'air de ventilation s'échappe des cavités centrales 8 par des rangées de perçages qui débouchent sur les faces latérales 6 et 7 et peuvent comprendre des rangées verticales 9 orientées dans la direction de hauteur R, des rangées horizontales 10 parallèles et adjacentes au bord libre 3, et des fentes 11 débouchant sur le bord de fuite 5. Dans la réalisation représentée, une disposition un peu plus complexe est présente, les cavités centrales 8 composant le serpentin 12 étant complétées par des cavités extrêmes 13 et 14 respectivement adjacentes au bord d'attaque 4 et au bord de fuite 5, qui sont séparées, alimentées par des débits de ventilation propres, et se déchargent respectivement par une rangée verticale 9 particulière et par les fentes 11.

On s'intéressera ici à des cavités latérales 15, qui sont situées entre les cavités centrales 8 et les faces latérales 7 et 6 de la pale 1, et qui sont comme les précédentes alimentées par un débit de ventilation particulier originaire du pied 2, et qui les parcourt dans la direction de hauteur R pour se décharger par les rangées horizontales 10.

Les cavités latérales 15 sont représentées aux figures 4 et 4A, qui représentent un fragment correspondant de l'aube suivant deux coupes et deux orientations différentes. Elles sont composées de canaux 17 et 18 répartis en deux réseaux. Les canaux 17 sont parallèles entre eux et séparés par des nervures 27, et les canaux 18 de même parallèles entre eux et séparés par des nervures 28, dans une direction différente des canaux 17.

Un aspect essentiel de l'invention est que les canaux 17 ont des communications 21 avec les canaux 18 de l'autre des réseaux, ce qui peut être produit, comme le montre la figure 4, en attribuant aux canaux 17 et 18 une profondeur plus grande que la moitié de l'épaisseur de la cavité latérale 15, de sorte que les deux réseaux s'étendent dans des couches différentes de celle-ci, à partir de faces principales 19 et 20 opposées de la cavité latérale 15, mais partiellement confondues à une épaisseur médiane 22. La disposition des canaux 17 et 18 est celle d'un treillis unitaire.

Ainsi, l'air de ventilation originaire du pied 2 et pénétrant dans les canaux 17 et 18 s'élève obliquement vers le bord libre 3 et la rangée horizontale 10, mais change périodiquement de réseau de canaux et de direction d'écoulement en arrivant aux communications 21, et il y est d'autant plus contraint que les canaux 17 et 18 s'étendent seulement sur une partie de la hauteur à parcourir. Chaque communication 21 est le siège d'une division des débits empruntant le canal 17 et le canal 18, dont une partie continue sa route précédente et une autre change de canal, puis d'une confluence entre le débit demeurant dans le canal d'origine et celui qui a changé de canal. L'intersection des canaux 17 et 18 impose des perturbations brusques aux écoulements. Il en résulte un écoulement fortement irrégulier et turbulent, apte à produire un flux thermique important et à renforcer l'isolation thermique de la région centrale de la pale 1 contenant les cavités 8 centrales principales. Des augmentations de flux thermique de 50 % ou plus ont été constatées par comparaison avec des promoteurs de turbulence traditionnels.

Trois réalisations particulières sont représentées aux figures 5, 6 et 7 et portent les références 15a, 15b et 15c. Elles montrent que les canaux 17 et 18 peuvent être de largeurs différentes ou à des inclinaisons différentes par rapport à la direction de hauteur R. Il est toutefois préférable que les réseaux soient semblables en ce qui concerne les sections, les largeurs et les espacements des canaux 17 et 18, que ces réseaux soient réguliers et que les inclinaisons des canaux 17 et 18 soient semblables, mais opposées par rapport à la direction de hauteur R, c'est-à-dire que l'agencement des canaux 17 et 18 soit symétrique par rapport à la direction de hauteur R. Les nervures 27 et 28 sont normalement beaucoup plus étroites que les canaux 17 et 18, pour laisser subsister une section de passage suffisante qui n'exagère pas les pertes de charge.

Une augmentation du nombre de canaux 17 et 18 a pour conséquence une plus grande perte de charge, consécutive à l'accroissement du nombre de communications 21 et de turbulence de l'écoulement, ainsi qu'une augmentation approximativement proportionnelle du flux thermique soutiré par l'écoulement : c'est ainsi que, si un flux thermique plus important est souhaité, la configuration de la figure 5 est meilleure que la figure 6 où les canaux 17 et 18 sont plus larges, mais moins nombreux.

Il a par ailleurs été constaté que l'inclinaison des canaux 17 et 18 par rapport à la direction de hauteur R avait un rôle important ; si cette inclinaison est trop importante, les pertes de charge s'accroissent en raison du trajet plus long et des virages plus accentués que le fluide subit, sans impliquer un flux thermique plus important. La configuration de la figure 7, où l'inclinaison des canaux 17 et 18 est importante, est ainsi moins favorable que celle de la figure 6, qui comporte le même nombre et la même largeur des canaux 17 et 18, mais avec une inclinaison moindre et des communications 21 plus nombreuses. Les pertes de charge étaient d'environ 50 % plus importantes, sans augmentation réelle du flux thermique. Des inclinaisons de 45° environ en sens opposés des canaux 17 et 18 par rapport à la direction de hauteur R, conduisant à des angles A égaux à environ à 90° (80° à 100° plus généralement) entre les canaux 17 et les canaux 18 des deux réseaux, pourraient être idéales.

Le procédé de fabrication de l'aube de la figure 1 consiste à utiliser des inserts 16 de moulage ayant la forme des canaux 17 et 18. Un de ces inserts 16 est représenté à la figure 8 et comprend des réseaux de stries 29 et 30 parallèles, correspondant à des empreintes des nervures 27 et 28. Les stries 29 sont ménagées sur une face principale de l'insert 16, les stries 30 sur sa face opposée avec une direction différente, et les fonds des stries 29 coupent ceux des stries 30 à mi-épaisseur.

Les inserts 16 sont placés dans le moule de l'aube avant de réaliser le moulage et en même temps que des noyaux 23 classiques pour former les autres cavités (figure 8A). Quand le moulage est effectué, les inserts 16 et les noyaux 23, qui sont en matière consommable, sont éliminés, ce qui dégage les cavités, dont les cavités latérales 15.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS 1) Aube comprenant une cavité latérale (15) interne de ventilation s'étendant entre une face latérale (6, 7) de l'aube et une région centrale de l'aube, caractérisée en ce que la cavité latérale interne consiste en deux réseaux de canaux (17, 18), les canaux de chacun des réseaux faisant un angle non nul avec une direction de hauteur (R) de l'aube joignant un pied (2) de l'aube à un bord libre (3) de l'aube, les canaux (17) d'un premier réseau faisant aussi un angle non nul avec les canaux (18) d'un second réseau, les canaux du premier réseau étant joints par des communications (21) aux canaux du second réseau.
2. 2) Aube suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux du premier réseau et les canaux du second réseau ont des directions symétriques par rapport à la direction de hauteur (R).
3. 3) Aube suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les canaux du premier réseau et les canaux du second réseau s'étendent dans des couches parallèles, mais partiellement confondues.
4. 4) Aube suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'angle (A) entre les canaux du premier réseau et les canaux du second réseau est compris entre 80° et 100°.
5. 5) Aube suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la région centrale contient au moins une cavité de ventilation (8) principale de l'aube.
6. 6) Procédé de fabrication d'une aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste à fabriquer séparément un insert (16) comprenant les réseaux de canaux, puis à mouler l'aube autour de l'insert et à éliminer l'insert.