FR3066551A1 - Aube mobile d'une turbine comprenant un circuit de refroidissement interne - Google Patents

Abstract

Un procédé de régulation de la température interne des aubes d'une roue à aubes comprenant un circuit d'alimentation en gaz de refroidissement et une pluralité d'aubes (100, 700, 800, 900) comportant chacune une paroi intrados (108) et une paroi extrados (110) formant un corps (102) creux comprenant un ensemble de refroidissement doté de cavités de refroidissement (128 à 144) définies par des premières cloisons (112 à 122) s'étendant entre les parois intrados et extrados (108 et 110) et des secondes cloisons (124 et 126) s'étendant entre deux premières cloisons (112 et 114, 116 et 118). L'ensemble de refroidissement de chaque aube (100, 700, 800, 900) comprend en outre au moins une cavité de régulation (150) de la température interne de l'aube (100, 700, 800, 900) séparée des parois intrados et extrados (108 et 110), le procédé comprenant une alimentation de ladite au moins une cavité de régulation (150) par un flux de gaz de refroidissement dont la température en entrée de la cavité de régulation (150) est supérieure à la température la plus basse des flux de gaz de refroidissement alimentant les cavités de refroidissement (128 à 144).

Description

Arrière-plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général des aubes de turbine et plus particulièrement au refroidissement des aubes de turbine haute pression d'une turbomachine.

Les turbomachines comprennent généralement une turbine haute pression montée en sortie d'une chambre de combustion. Cette turbine haute pression utilise des aubes qui sont fixées à l'arbre rotatif de la turbine. Des gaz de combustion chauds issues de la chambre de combustion impartent les aubes de turbine lorsqu'ils traversent la section de turbine, ce qui provoque la rotation des aubes et de l’arbre auquel elles sont attachées. Typiquement, une turbomachine comprendra plusieurs rangées d'aubes montées sur l'arbre rotatif, ainsi que plusieurs rangées d'aubes stationnaires. Les rangées d'aubes tournantes et stationnaires alternent entre elles.

Les gaz de combustion chauds qui sont passés par une rangée d'aubes stationnaires impartent ensuite une rangée suivante d'aubes tournantes. La rangée d'aubes stationnaires réoriente les gaz de combustion avant qu'ils n'atteignent la rangée suivante d'aubes tournantes.

Dans une turbine haute pression, les aubes tournantes, dites aussi mobiles, et les aubes stationnaires sont soumises à un environnement de fonctionnement extrêmement contraignant. Les aubes subissent des élévations de température importantes et le passage de gaz de combustion extrêmement chauds à des vitesses élevées. Pour aider aussi bien les aubes mobiles que les aubes stationnaires à l'intérieur de la section de turbine à faire face à l'environnement de fonctionnement sévère, il est commun de former des circuits de refroidissement à l'intérieur des aubes elles-mêmes. Les circuits de refroidissement sont alimentés par un fluide, tel que de l'air comprimé, plus froid que les gaz de combustion. L'air comprimé se déplace à travers les circuits de refroidissement à l'intérieur des aubes pour aider à refroidir ces dernières, et le fluide de refroidissement sort alors habituellement des aubes par des trous de refroidissement multiples formés sur la surface extérieure des aubes.

Les besoins accrus en performances et l'évolution des réglementations aéronautiques poussent les motoristes à concevoir des moteurs de plus petite taille fonctionnant dans des environnements dont les conditions sont toujours plus sévères en termes de température, de pression, de vitesse de rotation, d'émission, etc. Ceci induit la nécessité de définir des aubes de turbine haute pression pouvant résister à ce type de sollicitations.

Les améliorations observées sur les matériaux et revêtements constituant les aubes ne permettent pas, à elles seules, de compenser révolution rapide des températures de veine en amont de la turbine haute pression. Les concepteurs doivent alors s'orienter vers des circuits de refroidissement présentant des niveaux d'efficacité thermique plus élevés que les circuits classiques aujourd'hui utilisés sur la plupart des moteurs utilisant par exemple des cavités simples perturbées ou des cavités trombone, c'est-à-dire des cavités formant un circuit en forme de serpentin.

Les figures IA et IB présentent respectivement une vue en perspective d'une aube mobile 1 classique et une géométrie type d'un circuit de refroidissement 2 de cette aube 1.

Comme illustré sur la figure IA, l'aube mobile 1 comprend une embase 3, aussi appelée attache de l'aube, depuis laquelle s'étend un corps 4 d'aube. Le corps 4 comprend une première extrémité 5, nommée base, solidaire de l'embase 3 via une plateforme 30, une seconde extrémité 6 libre, aussi nommée sommet d'aube, opposée à la base 5, un bord d'attaque 7 et un bord de fuite 8 opposé au bord d'attaque 7. Le corps 4 de l'aube mobile 1 comprend des perçages 9 réalisés sur le bord d'attaque 7, le long de l'extrémité libre 6 et dans le corps 4, ainsi que des fentes 10 réparties le long du bord de fuite 8.

Comme illustré sur la figure IB, le circuit de refroidissement 2 comprend des cavités rectilignes 11 indépendantes, et un serpentin 12 formé de cavités rectilignes 13 reliées chacune à une première extrémité à une première cavité rectiligne 13 via une cavité de jonction 14 et à une seconde extrémité, distincte de la première extrémité, à une seconde cavité rectiligne distincte de la première cavité rectiligne via une autre cavité de jonction 14.

La forme et le nombre des cavités 13 et 14 ainsi que la position des perçages 9 et la géométrie des fentes 10 sur le bord de fuite 8 sont généralement optimisés pour maximiser l'efficacité thermique dans les zones identifiées comme sensibles suite à des essais moteurs, des retours 5 de flotte ou des analyses thermomécaniques. Les cavités 13 et 14 sont souvent munies de perturbateurs afin d'augmenter les échanges thermiques. On constate usuellement une seule rangée de cavité 13 et 14 dans l'épaisseur du profil, c'est-à-dire dans la direction s'étendant entre la paroi intrados et la paroi extrados de l'aube 1 et orthogonale à la direction 10 s'étendant entre le bord de fuite 8 et le bord d'attaque 7.

Toutefois, cette technologie présente plusieurs inconvénients.

Tout d'abord, bien que les circuits à cavités trombone présentent l'avantage de maximiser le travail de l'air de refroidissement au travers du circuit de refroidissement, ils entraînent cependant un 15 échauffement important de l'air de refroidissement qui se traduit par une baisse de l'efficacité thermique des perçages 9 dans le corps 4 situés en fin de trombone. De la même façon, des configurations avec des cavités à alimentation directe sur le bord d'attaque et le bord de fuite ne permettent pas d'apporter une réponse efficace aux niveaux de températures élevés 20 habituellement observés en sommet d'aube.

Ensuite, les différentes cavités ne sont séparées de la veine acheminant l'écoulement du flux gazeux issu de la chambre de combustion que par une paroi d'épaisseur variable en fonction des zones de l'aube. Compte tenu des contraintes sur le débit alloué au refroidissement des 25 aubages et de l'augmentation observée sur les températures d'air de veine, il n'est pas possible de refroidir correctement l'aube avec un circuit de refroidissement de ce type.

En outre, la tendance des motoristes à augmenter les températures de veine en entrée de la turbine haute pression contraint les 30 concepteurs à optimiser le refroidissement de l'aube. Les technologies classiques ne sont plus à même d'assurer un refroidissement efficace sans augmenter signifîcativement le débit d'air dans le circuit de refroidissement de l'aube et pénaliser les performances moteur. Les circuits de refroidissement dits « avancés » sont ainsi indispensables pour 35 définir une aube mobile compatible avec les exigences de performance moteur et de durée de vie des pièces.

La figure 2 présente un exemple de ce type de circuit de refroidissement avancé 20 nécessitant la réalisation et l'assemblage de trois noyaux ayant des alimentations en air distinctes. Cet exemple est typique des noyaux avancés en ce qu'il comporte une première et une seconde cavités centrales 21 et 22 froides isolées des gaz chauds par les cavités radiales externes 23 fines. La première cavité centrale 21 alimente une cavité de bord d'attaque 24 et la seconde cavité centrale 22 alimente une cavité sous baignoire 25 dédiée au refroidissement spécifique de la tête de l'aube, c'est-à-dire de l'extrémité libre de l'aube.

L'inconvénient de ce type de circuit de refroidissement est l'efficacité du refroidissement des cavités externes 23 fines : les cavités radiale externes 23 isolent fortement le cœur de l'aubage où s'étendent les cavités centrales 21 et 22 qui restent très froides, tandis que la peau extérieure formée par la paroi intrados et la paroi extrados de l'aube reste relativement chaude, comme cela est illustré sur la figure 3B.

Les figures 3A et 3 B représentent respectivement les températures des différentes zones de l'aube pour un circuit classique de refroidissement 2 (figure 3A) et un circuit de refroidissement avancé 20 (figure 3B). Sur les figures 3A et 3B les niveaux de gris correspondent aux variations de températures. Le gris le plus foncé correspond à la température la plus froide et le gris le plus clair à la température la plus élevée vue par l'aube. Comme cela apparaît sur les figures 3A et 3B, un circuit de refroidissement avancé tel qu'un circuit de refroidissement 20 est plus froid si l'on regarde la température moyenne mais présente plus d'écart de température entre la zone la plus froide et la zone la plus chaude que pour un circuit classique 2 d'une aube 1 qui présente une température moyenne plus chaude mais moins d'écart de température.

Or, ces différences de températures sont très préjudiciables pour la durée de vie de l'aube. En effet une différence de température engendre une différence d'allongement lors de la dilatation en fonctionnement et donc des contraintes aux zones de jonction entre cloisons chaudes et froides quasi-parallèles.

De plus, si on augmente fortement l'écart de température dans une aube mobile, les parois chaudes finiront par travailler en compression.

Dans ce cas, le cœur de l'aube va porter plus que la masse de l'aube audessus, ce qui n'a pas d'intérêt. En simplifiant l'explication, le métal chaud sera « souple » et se dilatera tandis que le métal plus froid sera « raide » et se contractera. Lorsque la pièce est soumise à la force centrifuge, la partie froide et raide transmettra plus d'effort que la partie chaude et souple. Mais si la différence chaud-froid devient trop importante, les contraintes liées aux dilatations/contractions d'une région chaude vers une région froide viendront s'ajouter aux contraintes centrifuges, de telle sorte qu'au global la pièce devra subir la force centrifuge directement proportionnelle à sa masse et les forces de dilatations, donc une force supplémentaire d'origine thermique qu'il faut limiter voir supprimer.

Par cœur de l'aube, on entend les parties de l'aube qui ne sont pas en contact avec les parois périphériques.

Il est connu une aube de turbine comprenant un corps présentant une base destinée à être solidarisée à l'arbre de rotation de la turbine et une extrémité libre opposée à la base, et un circuit de refroidissement comportant un premier circuit trombone alimenté par des premiers orifices d'alimentation et alimentant des orifices disposés sur le bord d'attaque et un deuxième circuit trombone alimenté par des deuxièmes orifices d'alimentation et alimentant des orifices disposés sur le bord de fuite. L'aube comprend en outre un troisième circuit alimenté par un troisième orifice d'alimentation distinct des premiers et deuxièmes orifices d'alimentation et alimentant directement, c'est-à-dire sans passer par un circuit trombone, l'extrémité libre de l'aube. Le troisième circuit comprend un revêtement isolant sur ses parois internes fluide pour conserver l'air le plus froid possible jusqu'au sommet d'aube.

Cependant, la configuration de cette aube avec une cavité centrale, formant le troisième circuit, isolée des autres circuits permet de conserver de l'air très froid pour refroidir l'extrémité libre de l'aube uniquement. Cette configuration génère des écarts de température importants entre le cœur de l'aube et les parois intrados et extrados de l'aube.

De plus, la tendance des motoristes consistant à augmenter la température en entrée de la turbine afin d'optimiser les performances du moteur amplifie le problème mécanique des circuits avancés.

Objet et résumé de l'invention

L'invention vise à proposer un procédé de régulation de la température interne des aubes mobiles d'une roue à aubes d'une turbine présentant un niveau d'efficacité thermique amélioré par rapport à l'état de la technique et limitant les écarts de température au sein de l'aube.

Un objet de l'invention propose un procédé de régulation de la température interne des aubes mobiles d'une roue à aubes d'une turbine d'une turbomachine, la roue à aubes comprenant un circuit d'alimentation en gaz de refroidissement et une pluralité d'aubes, chaque aube comportant une paroi intrados et une paroi extrados s'étendant entre un bord d'attaque et un bord de fuite de l'aube, les parois intrados et extrados de chaque aube formant un corps creux comprenant un ensemble de refroidissement de l'aube comportant des cavités de refroidissement parcourues par des flux de gaz de refroidissement et définies par des premières cloisons s'étendant entre la paroi intrados et la paroi extrados et des secondes cloisons s'étendant entre deux premières cloisons.

Selon une caractéristique générale de l'invention, l'ensemble de refroidissement de chaque aube de la roue à aubes comprend en outre au moins une cavité de régulation de la température interne séparée des parois intrados et extrados, le procédé comprenant une alimentation de ladite au moins une cavité de régulation par un flux de gaz de refroidissement dont la température en entrée de la cavité de régulation est supérieure à la température la plus basse des flux de gaz de refroidissement alimentant les cavités de refroidissement de l'ensemble de refroidissement.

Il n'est pas nécessaire de diminuer autant que possible la température du métal à l'intérieur de l'aube. En effet, comme cela est illustré sur la figure 4 qui présente un graphique de l'évolution de la résistance mécanique du métal en fonction de la température du métal, la résistance mécanique du métal atteint un maximum à une température intermédiaire entre la température d'alimentation de l'air Ta et la température maximale admissible T_M pour le métal. Cette température intermédiaire est bien souvent supérieure à la température atteinte par le métal des cloisons situées au cœur des circuits de refroidissement avancés d'aube mobile. Augmenter la température des cloisons permet donc d'alléger les contraintes dues aux dilatations différentielles liées aux différences de températures, sans pour autant compromettre la résistance mécanique du métal.

Le procédé de régulation permet de contrôler, notamment de limiter, la différence de température entre le cœur froid de l'aube et les parois chaudes en métal de l'aube telles que les parois intrados et extrados, via l'utilisation d'un flux gazeux présentant une température supérieure à la température initiale du flux gazeux de refroidissement, c'est-à-dire à la température d'entrée du flux gazeux injecté dans le circuit de refroidissement formé par les cavités de refroidissement.

Le procédé de régulation selon l'invention permet, d'une part, de moduler la température des premières ou secondes cloisons de l'aubage via la circulation de gaz échauffé à travers une géométrie bien choisie, d'autre part, de réduire les sur-contraintes internes du circuit en limitant la dilatation différentielle du métal, mais aussi, de réduire les efforts mécaniques de l'aube en assouplissant la structure, et enfin d'améliorer le refroidissement des parois chaudes de l'aubage, notamment les parois intrados et extrados.

Selon un premier aspect du procédé de régulation, ladite au moins une cavité de régulation de chaque aube est alimentée par le flux de sortie d'un circuit de refroidissement des plateformes des aubes de la roue à aubes, ledit circuit d'alimentation en gaz de refroidissement de la roue à aubes correspondant à la sortie du circuit de refroidissement des plateformes des aubes de la roue à aubes, et la cavité de régulation étant indépendante des cavités de refroidissement de l'aube.

Dans le cas d'application avec d'importants écarts de température entre la température chaude des gaz de combustion de la veine et la température froide des gaz de refroidissement de l'aube mobile, il peut être nécessaire de refroidir les plateformes des aubes mobiles. Le refroidissement des plateformes peut être réalisé à l'aide d'un circuit de convection forcée monté l'intérieur des plateformes.

Le couplage de la cavité de régulation à la sortie d'un circuit de refroidissement d'une plateforme de l'aube peut permettre de rentabiliser la dépense supplémentaire d'air de refroidissement dédié à la plateforme tout en améliorant les caractéristiques mécaniques de l'aube grâce au réchauffement du cœur de l'aube via la cavité de régulation du circuit de refroidissement de l'aube.

Selon un deuxième aspect du procédé de régulation, ladite au moins une cavité de régulation de chaque aube est alimentée par ledit circuit d'alimentation en gaz de refroidissement de la roue à aubes via une cavité de refroidissement.

Le procédé de régulation permet ainsi de contrôler la différence de température entre le cœur froid de l'aube et les parois chaudes en métal de l'aube telles que les parois intrados et extrados, via l'utilisation ou la réutilisation des gaz échauffés à travers les cavités de refroidissement internes de l'aubage pour réchauffer au moins une cloison.

Un autre objet de l'invention propose une roue à aubes pour turbine de turbomachine comprenant un circuit d'alimentation en gaz de refroidissement et une pluralité d'aubes, chaque aube comportant une paroi intrados et une paroi extrados s'étendant entre un bord d'attaque et un bord de fuite de l'aube, les parois intrados et extrados de chaque aube formant un corps creux comprenant un ensemble de refroidissement de l'aube comportant des cavités de refroidissement définies par des premières cloisons s'étendant entre la paroi intrados et la paroi extrados de l'aube et des secondes cloisons s'étendant entre deux premières cloisons.

Selon une caractéristique générale de l'invention, l'ensemble de refroidissement de chaque aube de la roue à aubes comprend en outre au moins une cavité de régulation de la température interne de l'aube séparée des parois intrados et extrados, et ladite au moins une cavité de régulation est couplée au circuit d'alimentation en gaz de refroidissement de la roue à aubes via une cavité de refroidissement.

Selon un aspect de la roue à aubes, ladite au moins une cavité de régulation s'étend dans l'épaisseur d'une première ou seconde cloison.

L'ensemble de refroidissement de chaque aube permet de limiter les différences de température interne en réutilisant les gaz chauds du circuit interne pour réchauffer une première ou seconde cloison avant de les évacuer classiquement à l'extérieur de l'aube via des perçages.

En ménageant une cavité dans l'épaisseur d'une première ou seconde cloison de l'aube, le flux gazeux qui présente une température supérieure à la température minimale du flux de refroidissement peut circuler, au sein d'une cloison, entre les cavités de refroidissement pour élever la température de la cloison qu'il traverse et ainsi réduire l'écart de température entre les cloisons au cœur de l'aube et les parois périphériques de l'aube. Le réchauffement de la cloison au travers de laquelle circule le flux d'air réchauffé permet à la cloison de se dilater plus que si elle n'était pas réchauffé par le flux d'air réchauffé ce qui réduit les contraintes dues à la différence d'allongement entre le cœur de l'aube et les parois en périphérie de l'aube telles que les parois intrados et extrados.

Par ailleurs, la réalisation d'une cavité du circuit de refroidissement, telle qu'une cavité de régulation, dans une cloison, notamment une seconde cloison, s'étendant entre une première cavité de refroidissement au contact de la paroi intrados et une seconde cavité de refroidissement au contact de la paroi extrados permet de réduire la section de passage de l'air dans les cavités périphériques et d'augmenter ainsi les échanges avec les parois chaudes. La vitesse d'écoulement du flux à travers la section du circuit de refroidissement formée par la cavité de régulation s'étendant dans la cloison augmente alors, ce qui augmente les échanges de chaleur avec la paroi chaude, et abaisse donc sa température.

En d'autres termes, la cavité de régulation permet ainsi de réchauffer le métal au cœur de l'aube, et de plus par sa simple présence elle diminue les sections d'air autour d'elle, participant alors à la diminution de température des parois chaudes par la même occasion. Au global, le métal au cœur est plus chaud et le métal à la paroi est plus froid : les différences de températures son minimisées.

En tirant de plus partie de l'effet de Coriolis, qui plaque le flux gazeux de refroidissement circulant à l'intérieur de l'aube sur l'intérieur de la paroi intrados ou l'intérieur de la paroi extrados de l'aube selon que le sens d'écoulement du flux dans la cavité de refroidissement du circuit de refroidissement soit respectivement montant, c'est-à-dire allant de la base vers l'extrémité libre, ou descendant, c'est-à-dire allant de l'extrémité libre vers la base, il est possible de maximiser l'interaction du flux de gaz de refroidissement avec les parois chaudes et de minimiser son interaction avec la cloison ainsi réchauffée, c'est-à-dire la cloison au sein de laquelle s'étend la cavité de régulation.

Un autre objet de l'invention propose une roue à aubes pour turbine de turbomachine comprenant un circuit d'alimentation en gaz de refroidissement et une pluralité d'aubes, chaque aube comportant une paroi intrados et une paroi extrados s'étendant entre un bord d'attaque et un bord de fuite de l'aube, les parois intrados et extrados de chaque aube formant un corps creux comprenant un ensemble de refroidissement de l'aube comportant des cavités de refroidissement définies par des premières cloisons s'étendant entre la paroi intrados et la paroi extrados de l'aube et des secondes cloisons s'étendant entre deux premières cloisons.

Selon une caractéristique générale de cet objet, que l'ensemble de refroidissement de chaque aube de la roue à aubes comprend en outre au moins une cavité de régulation de la température interne de l'aube séparée des parois intrados et extrados, et ladite au moins une cavité de régulation étant couplée au circuit d'alimentation en gaz de refroidissement de la roue à aubes, le circuit d'alimentation en gaz de refroidissement correspondant à la sortie du circuit de refroidissement des plateformes des aubes de la roue à aubes, la cavité de régulation étant indépendante des cavités de refroidissement de l'aube.

Selon un aspect de cette roue à aubes, ladite au moins une cavité de régulation s'étend dans l'épaisseur d'une première ou seconde cloison.

Un autre objet de l'invention propose une turbine haute pression d'une turbomachine d'un aéronef comprenant une roue à aubes telle que définie ci-dessus.

Encore un autre objet de l'invention propose une turbomachine d'un aéronef comprenant une turbine haute pression telle que définie cidessus.

Brève description des dessins.

L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- les figures IA et IB, déjà décrites, présentent respectivement une vue en perspective d'une aube mobile classique et une géométrie type d'un circuit de refroidissement de l'aube de la figure IA ;

- la figure 2, déjà décrite, présente schématiquement une vue en perspective d'un exemple de circuit de refroidissement avancé selon l'état de la technique ;

- les figures 3A et 3B, déjà décrites, représentent les variations de température des différentes zones de l'aube respectivement pour un circuit classique de refroidissement et pour un circuit de refroidissement avancé ;

- la figure 4, déjà décrite, présente un graphique de l'évolution de la résistance mécanique du métal en fonction de la température du métal ;

- la figure 5 présente une vue en coupe d'une aube mobile de turbine selon un premier mode de réalisation de l'invention ;

- les figures 6A, 6B et 6C présentent trois vues en coupe d'une aube mobile de turbine selon un deuxième mode de réalisation de l'invention respectivement au milieu, à proximité de la base, et à proximité de l'extrémité libre de l'aube ;

- les figures 7A et 7B présentent deux vues en coupe d'une aube mobile de turbine selon un troisième et un quatrième modes de réalisation.

Description détaillée de modes de réalisation

Sur la figure 5 est représentée une vue en coupe d'une aube mobile 100 de turbine selon un premier mode de réalisation de l'invention.

La forme externe de l'aube mobile 100 est similaire à celle de l'aube 1 déjà décrite sur la figure 1. L'aube mobile 100 comprend une embase depuis laquelle s'étend un corps 102 d'aube. Le corps 102 comprend une première extrémité, nommée base, solidaire de l'embase, une seconde extrémité libre opposée à la base, un bord d'attaque 104 et un bord de fuite 106 opposé au bord d'attaque 104. Le corps 102 de l'aube mobile 100 peut comprendre des perçages, ainsi que des fentes réparties le long du bord de fuite 106. Le corps 102 de l'aube mobile 100 présente en outre une paroi intrados 108 et une paroi extrados 110 s'étendant chacune entre le bord d'attaque 104 et le bord de fuite 106.

A l'intérieur du corps 102 de l'aube mobile 100, six cloisons transversales 112, 114, 116, 118, 120, 122 s'étendent entre la paroi intrados 108 et la paroi extrados 110, et deux cloisons longitudinales 124 et 126 s'étendent chacune entre deux cloisons transversales. Les six cloisons longitudinales 112, 114, 116, 118, 120, 122 sont disposées successivement entre le bord d'attaque 104 et le bord de fuite 106. La première cloison longitudinale 124 s'étend entre la première cloison transversale 112 et la seconde cloison transversale 114. La seconde cloison longitudinale 126 s'étend entre la troisième cloison transversale 116 et la quatrième cloison transversale 118.

Les cloisons transversales 112 à 122 et les cloisons longitudinales 124 et 126 définissent des cavités 128 à 144 d'un ensemble de refroidissement de l'aube 100.

La première cloison transversale 112 forme avec le bord d'attaque 104 une cavité de bord d'attaque 128. Plus exactement, la cavité de bord d'attaque 128 est formée à partir de la première cloison transversale 112 et des portions de parois intrados et extrados 108 et 110 s'étendant depuis le bord d'attaque 104 jusqu'à la première cloison transversale 112. Une première cavité extrados 130 est ensuite formée par la paroi extrados 110, les première et deuxième cloisons transversales 112 et 114 et la première cloison longitudinale 124. Une première cavité intrados 132 est formée par la paroi intrados 108, les première et deuxième cloisons transversales 112 et 114 et la première cloison longitudinale 124. Une première cavité transversale 134 est formée par les deuxième et troisième cloisons transversales 114 et 116 et les parois intrados et extrados 108 et 110. Une

Une seconde cavité extrados 136 est formée par la paroi extrados 110, les troisième et quatrième cloisons transversales 116 et 118 et la seconde cloison longitudinale 126. Une seconde cavité intrados 138 est formée par la paroi intrados 108, les troisième et quatrième cloisons transversales 116 et 118 et la seconde cloison longitudinale 126. Une deuxième cavité transversale 140 est formée par les quatrième et cinquième cloisons transversales 118 et 120 et les parois intrados et extrados 108 et 110, et une troisième cavité transversale 142 est formée par les cinquième et sixième cloisons transversales 120 et 122 et les parois intrados et extrados 108 et 110.

Enfin, une cavité de bord de fuite 144 est formée à partir de la sixième cloison transversale 144 et les portions de parois intrados et extrados 108 et 110 s'étendant depuis le bord de fuite 106 jusqu'à la sixième cloison transversale 122.

L'aube mobile comprend en outre une cavité de régulation 150 formée dans l'épaisseur de la seconde cloison longitudinale 126.

Le corps 102 de l'aube mobile 100 comprend en outre un premier circuit de refroidissement décrivant une forme de trombone ou de serpentin.

Dans le premier mode de réalisation de l'aube mobile 100 illustré sur la figure 5, le premier circuit de refroidissement est formé par le raccordement, dans le sens de circulation d'un premier flux de gaz de refroidissement, de la première cavité intrados 132 avec la cavité de régulation 150 et la troisième cavité transversale 142. La première cavité intrados 132 est alimenté par un premier flux de gaz de refroidissement depuis une entrée réalisée dans la base de l'aube 100 de sorte que le premier flux gazeux de refroidissement présente un sens d'écoulement ascendant dans la première cavité intrados 132, c'est-à-dire circulant de la base vers l'extrémité libre de l'aube 100.

La cavité de bord d'attaque 128 est alimentée en air de refroidissement par la première cavité extrados 130 via un dispositif d'impact, la première cavité extrados 130 permettant de refroidir la partie extrados de l'aube mobile 100 par convection. La cavité de bord d'attaque 128 et la première cavité extrados 130 forment un circuit de refroidissement du bord d'attaque distinct du premier circuit de refroidissement.

La première cavité intrados 132 du premier circuit de refroidissement protège la première cavité extrados 130 d'un échauffement trop important afin d'avoir une réserve d'air frais pour impacter dans la cavité de bord d'attaque 128. La première cavité intrados 132 est conçue pour maximiser réchauffement de l'air la traversant. En sommet d'aube, un retournement allongé raccordant la première cavité intrados 132 à la cavité de régulation 150 permet de maximiser la surface de contact avec la paroi au sommet de l'aube, c'est-à-dire à l'extrémité libre de l'aube, usuellement très chaude afin de réchauffer d'autant plus le premier flux de gaz de refroidissement avant qu'il ne parcourt la cavité de régulation 150.

Le premier flux de gaz de refroidissement entre alors ensuite dans la cavité de régulation 150 selon un sens d'écoulement descendant, c'est-à-dire de l'extrémité libre de l'aube vers la base. La cavité de régulation 150 s'étend au cœur de l'aube 100. La cavité de régulation 150 permet ainsi de réchauffer le métal environnant, c'est-à-dire dans le mode de réalisation illustré sur la figure 5 avec le métal de la seconde cloison longitudinale 126, en échangeant avec le premier flux de gaz de refroidissement préalablement réchauffé par l'interaction thermodynamique dans la première cavité intrados 132. En effet, en réchauffant la seconde cloison longitudinale 126, la différence de température entre le métal au cœur de l'aube 100, tel que celui de la seconde cloison longitudinale 126, et le métal sur les parois intrados et extrados 108 et 110 de l'aube 100 est diminuée, ainsi que leur allongement différentiel. Les contraintes sont donc moins importantes.

Le premier flux de gaz de refroidissement est ensuite acheminé de la cavité de régulation 150 vers la troisième cavité transversale 142 à l'aide d'un raccord courbe. Le premier flux de gaz de refroidissement parcours la troisième cavité transversale 142 selon un sens ascendant. La troisième cavité transversale 142 communique avec des perçages réalisés dans la paroi intrados 108qui permettent d'évacuer l'air du premier flux gazeux de refroidissement de la troisième cavité transversale 142 en générant un film de refroidissement, ou « film-cooling » en anglais, qui protège la cavité bord de fuite 144. En effet, l'air sortant de la troisième cavité transversale 142 est certes échauffé par rapport à la température du premier flux gazeux de refroidissement alimentant la première cavité intrados 132, mais la température reste bien inférieure à la température du flux d'air circulant dans la veine d'écoulement et impartant la paroi intrados 108 de l'aube 100 ce qui permet donc de jouer le rôle de film protecteur pour la cavité bord de fuite 144.

La cavité de régulation 150 permet également de fournir via ses cloisons, c'est-à-dire via la seconde cloison longitudinale 126, une masse de métal centrale, agissant comme une poutre, afin de supporter une partie des efforts centrifuge.

La configuration du premier mode de réalisation de l'aube 100 illustré sur la figure 5 permet donc à la fois de soulager les efforts orthoradiaux en réduisant les différences de température, et de reprendre une partie des efforts radiaux.

Dans le premier mode de réalisation, le corps 102 de l'aube 100 comprend en outre un second circuit de refroidissement décrivant une forme de serpentin. Le second circuit de refroidissement est formé par le raccordement, dans le sens de circulation d'un second flux de gaz de refroidissement, de la seconde cavité transversale 140 avec la seconde cavité extrados 136 et la première cavité transversale 134.

La portion de paroi intrados 108 formant la première cavité transversale 134 est percée pour évacuer le second flux de gaz de refroidissement du second circuit de refroidissement à l'extérieur de l'aube 100. Ces perçages permettent de protéger la seconde cavité intrados 138 par « fîlm-cooling ». La seconde cavité transversale 140 et la première cavité transversale 134 qui permettent de couper le squelette central de l'aube 100 et d'assouplir la structure.

Le second flux de gaz de refroidissement parcours la seconde cavité transversale 140 et la première cavité transversale 134 dans le sens ascendant, c'est-à-dire de la base de l'aube 100 vers son extrémité libre. Dans la seconde cavité extrados 136, le second flux de gaz de refroidissement circule dans un sens descendant, c'est-à-dire de l'extrémité libre de l'aube vers la base. Cette circulation descendante plaque le second flux de gaz de refroidissement contre la portion de paroi extrados 110 formant la seconde cavité extrados 136 et ainsi, d'une part, maximise le refroidissement de la paroi extrados 110 chaude et, d'autre part, minimise l'interaction avec la seconde cloison longitudinale 126 au cœur de l'aube 100 et réchauffée par la cavité de régulation 150 qui la traverse.

La seconde cavité intrados 138 alimente une cavité, non représentée, dite sous baignoire à l'extrémité libre de l'aube 100 tout en refroidissant une portion de la paroi intrados 108 de l'aube 100. La seconde cavité intrados 138 est alimentée par un troisième flux de gaz de refroidissement selon un sens de circulation ascendant, c'est-à-dire circulant de la base de l'aube 100 vers son extrémité libre. Le troisième flux de gaz de refroidissement est distinct du premier et du deuxième flux de gaz de refroidissement, mais peut être alimenté par une alimentation commune à la cavité de bord de fuite 144 ou par une alimentation dédiée spécifiquement. La seconde cavité intrados 138 est placée ainsi afin de maximiser le refroidissement de la paroi intrados 108 chaude en plaquant le troisième flux de gaz de refroidissement contre la portion de paroi intrados 108 formant la seconde cavité intrados 138, tout en minimisant l'interaction du troisième flux de gaz de refroidissement avec la seconde cloison longitudinale 126 traversée par la cavité de régulation 150.

Sur les figures 6A, 6B et 6C sont présentées trois vues en coupe d'une aube mobile 700 de turbine selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Les plans de coupe des trois vues sont parallèles entre eux et orthogonaux à une direction passant par l'extrémité libre et la base de l'aube 700. Le plan de coupe de la figure 6A coupe l'aube 700 approximativement à mi-distance entre l'extrémité libre et la base de l'aube 700. Le plan de coupe de la figure 6B coupe l'aube 700 aux environs de la base de l'aube 700. Et le plan de coupe de la figure 6C coupe l'aube 700 à proximité de l'extrémité libre de l'aube 700.

Le deuxième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation illustré sur la figure 5 en ce qu'il tire non pas parti du réchauffement du gaz de refroidissement dans des cavités placées en amont de la cavité de régulation 150, mais en ce qu'il tire parti de l'air échauffé dans un circuit de refroidissement de la plateforme de l'aube qui est injecté dans la cavité de régulation 150 selon un sens de circulation ascendant, c'est-à-dire de la base vers l'extrémité libre de l'aube 700.

Comme cela est illustré sur la figure 6A, dans le deuxième mode de réalisation de l'aube, les cloisons transversales 112 à 122 et les cloisons longitudinales 124 et 126 sont identiques à celle du premier mode de réalisation illustré sur la figure 5 sauf aux extrémités de l'aube, c'est-àdire au niveau de la base de l'aube comme cela est illustré sur la figure 6B et de l'extrémité libre de l'aube comme cela est illustré sur la figure 6C.

Les circuits de refroidissement diffèrent du premier mode de réalisation.

En effet dans le deuxième mode de réalisation, la cavité de bord d'attaque 128 est alimentée en air de refroidissement par la première cavité intrados 132 via un dispositif d'impact, la première cavité extrados

130 permettant de refroidir la partie intrados de l'aube mobile 100 par convection. La cavité de bord d'attaque 128 et la première cavité intrados 132 forment un circuit de refroidissement du bord d'attaque distinct d'autres circuits de refroidissement.

Dans le second mode de réalisation illustré sur les figures 6A, 6B et 6C, le corps 102 de l'aube 700 comprend un circuit de refroidissement en forme de serpentin. Le circuit de refroidissement est formé par le raccordement, dans le sens de circulation d'un flux de gaz de refroidissement, de la seconde cavité intrados 138, de la première cavité extrados 130, de la première cavité transversale 134, de la seconde cavité extrados 136 et de la seconde cavité transversale 140.

La cavité de régulation 150 s'étendant dans la seconde cloison longitudinale 126 est alimentée, selon une circulation ascendante, c'est-odire de la base vers l'extrémité libre de l'aube 700, par de l'air préalablement chauffé via un circuit 160 de refroidissement de la plateforme. L'air réchauffé issu du circuit de refroidissement de la plateforme est injecté dans la cavité de régulation 150 et réchauffe ainsi la seconde cloison longitudinale 126 avant de déboucher dans l'extrémité libre de l'aube 700 dans une cavité de tête 170 munie de perçages qui évacue l'air autour du sommet d'aube, c'est-à-dire autour de l'extrémité libre de l'aube 700 afin de participer au refroidissement de celle-ci.

La présence d'une cavité de tête 170 à l'extrémité libre de l'aube 700 permet de réduire la section en tête des autres cavités du circuit de refroidissement, ce qui permet d'augmenter les échanges de chaleur et donc le refroidissement à l'extrémité libre de l'aube 700 mobile qui est une zone traditionnellement difficile à refroidir car l'air circulant dans les cavités de refroidissement est échauffé et à débit réduit car la majorité a été auparavant évacuée via des perçages dans l'aube.

L'émission d'air chaud en tête de pale, c'est-à-dire à l'extrémité libre de l'aube 700 ou sommet d'aube, permet également d'émettre dans la baignoire afin de mieux « remplir » cette dernière et ainsi mieux faire obstacle à l'air de veine voulant y pénétrer. Le sommet d'aube est souvent « enfoncé ». Un muret fait le tour du profil mais l'intérieur est plus profond. C'est ce qui est appelé la baignoire. A l'intérieur se trouvent de gros orifices qui servent à refroidir la baignoire et aussi à évacuer les éventuels débris qui se trouveraient dans les circuits de refroidissement. La baignoire a également un impact important sur les performances de l'aube parce qu'elle empêche l'air de veine de « sauter » par-dessus l'aube pour passer de l'intrados à l'extrados par le dessus. Ainsi injecter du fluide de refroidissement que ce soit dans la baignoire ou via des perçages intrados au somment d'aube permet de créer un obstacle fluide qui aide la baignoire à assurer son rôle.

La cavité de bord de fuite 144 est alimentée en air de refroidissement par la troisième cavité transversale 142 par calibrage de manière similaire au bord d'attaque à impact.

Les figures 7A et 7B présentent deux vues en coupe d'une aube mobile de turbine selon un troisième et un quatrième modes de réalisation.

Dans le troisième mode de réalisation présenté sur la figure 7A, l'aube 800 comprend un circuit de refroidissement comportant deux cavités de régulation 152 et 154 au lieu d'une, formées respectivement dans l'épaisseur de la troisième cloison transversale 116 et dans l'épaisseur de la quatrième cloison transversale 118, au niveau de la jonction avec la seconde cloison longitudinale 126.

Dans le quatrième mode de réalisation présenté sur la figure 7B, l'aube 900 diffère de l'aube 100 du premier mode de réalisation illustré sur la figure 5 en ce qu'elle comprend non pas une seconde cloison longitudinale 126 s'étendant entre la troisième et la quatrième cloisons transversales 116 et 118 mais deux secondes cloisons longitudinales 926 et 928 s'étendant entre la troisième et la quatrième cloisons transversales 116 et 118 et formant entre elles une cavité de régulation 150.

En outre, dans le premier mode de réalisation illustré sur la figure 5, pour faire fonctionner efficacement le premier circuit de refroidissement, afin d'assurer une température adéquat des cloisons entourant la cavité de régulation 150, il faut moduler réchauffement de l'air dans la première cavité intrados 132, alors que dans le deuxième mode de réalisation illustré sur les figures 6A à 6C, il faut module réchauffement de l'air dans le circuit de refroidissement de la plateforme.

Pour cela, des promoteurs de turbulences sont placés de manière adaptée dans les cavités, la première cavité intrados 132 pour le premier mode de réalisation et les cavités du circuit de refroidissement de la plateforme pour le deuxième mode de réalisation, pour augmenter réchauffement de l'air.

Dans le premier et le deuxième modes de réalisation, de nombreux promoteurs de turbulence sont également disposés dans la cavité de régulation 150 pour favoriser les échanges de chaleur entre les cloisons transversales et longitudinales en métal et l'air chaud circulant 5 dans la cavité de régulation 150.

Les aubes décrites dans les figures 5 à 7B peuvent être fabriquées à l'aide de technique utilisant des moules avec insert ou la fabrication additive.

L'invention ne s'adresse pas qu'aux aubes de turbine haute 10 pression d'une turbomachine mais à toute aube de turbine ayant besoin d'être refroidie.

L'invention fournit ainsi une architecture de circuit de refroidissement d'une aube mobile d'une turbine présentant un niveau d'efficacité thermique amélioré par rapport à l'état de la technique et 15 limitant les écarts de température au sein de l'aube.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de régulation de la température interne des aubes mobiles d'une roue à aubes d'une turbine d'une turbomachine, la roue à aubes comprenant un circuit d'alimentation en gaz de refroidissement et une pluralité d'aubes, chaque aube (100, 700, 800, 900) comportant une paroi intrados (108) et une paroi extrados (110) s'étendant entre un bord d'attaque (104) et un bord de fuite (106) de l'aube (100, 700, 800, 900), les parois intrados et extrados (108 et 110) de chaque aube (100, 700, 800, 900) formant un corps (102) creux comprenant un ensemble de refroidissement de l'aube comportant des cavités de refroidissement (128 à 144) parcourues par des flux de gaz de refroidissement et définies par des premières cloisons (112 à 122) s'étendant entre la paroi intrados (108) et la paroi extrados (110) et des secondes cloisons (124 et 126) s'étendant entre deux premières cloisons (112 et 114,116 et 118), caractérisé en ce que l'ensemble de refroidissement de chaque aube (100, 700, 800, 900) de la roue à aubes comprend en outre au moins une cavité de régulation (150) de la température interne de l'aube (100, 700, 800, 900) séparée des parois intrados et extrados (108 et 110), le procédé comprenant une alimentation de ladite au moins une cavité de régulation (150) par un flux de gaz de refroidissement dont la température en entrée de la cavité de régulation (150) est supérieure à la température la plus basse des flux de gaz de refroidissement alimentant les cavités de refroidissement (128 à 144) de l'ensemble de refroidissement.
2. 2. Procédé de régulation selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une cavité de régulation (150) de chaque aube (700) est alimentée par le flux de sortie d'un circuit de refroidissement des plateformes des aubes de la roue à aubes, ledit circuit d'alimentation en gaz de refroidissement de la roue à aubes correspondant à la sortie du circuit de refroidissement des plateformes des aubes de la roue à aubes, et la cavité de régulation (150) étant indépendante des cavités de refroidissement (128 à 144) de l'aube (700).
3. 3. Procédé de régulation selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une cavité de régulation (150) de chaque aube (100, 800, 900) est alimentée par ledit circuit d'alimentation en gaz de refroidissement de la roue à aubes via une cavité de refroidissement (132).
4. 4. Roue à aubes pour turbine de turbomachine comprenant un circuit d'alimentation en gaz de refroidissement et une pluralité d'aubes (100, 800, 900), chaque aube (100, 800, 900) comportant une paroi intrados (108) et une paroi extrados (110) s'étendant entre un bord d'attaque (104) et un bord de fuite (106) de l'aube (100, 800, 900), les parois intrados et extrados (108 et 110) de chaque aube (100, 800, 900) formant un corps (102) creux comprenant un ensemble de refroidissement de l'aube comportant des cavités de refroidissement (128 à 144) définies par des premières cloisons (112 à 122) s'étendant entre la paroi intrados (108) et la paroi extrados (110) de l'aube et des secondes cloisons (124 et 126) s'étendant entre deux premières cloisons (112 et 114,116 et 118), caractérisé en ce que l'ensemble de refroidissement de chaque aube (100, 800, 900) de la roue à aubes comprend en outre au moins une cavité de régulation (150, 152, 154) de la température interne de l'aube (100, 800, 900) séparée des parois intrados et extrados (108 et 110), et ladite au moins une cavité de régulation (150, 152, 154) est couplée au circuit d'alimentation en gaz de refroidissement de la roue à aubes via une cavité de refroidissement (132).
5. 5. Roue à aubes selon la revendication 4, dans lequel ladite au moins une cavité de régulation (150, 152, 154) de l'aube (100, 800, 900) s'étend dans l'épaisseur d'une première ou seconde cloison (126, 926, 928).
6. 6. Roue à aubes pour turbine de turbomachine comprenant un circuit d'alimentation en gaz de refroidissement et une pluralité d'aubes (700), chaque aube (700) comportant une paroi intrados (108) et une paroi extrados (110) s'étendant entre un bord d'attaque (104) et un bord de fuite (106) de l'aube (700), les parois intrados et extrados (108 et 110) de chaque aube (700) formant un corps (102) creux comprenant un ensemble de refroidissement de l'aube comportant des cavités de refroidissement (128 à 144) définies par des premières cloisons (112 à 122) s'étendant entre la paroi intrados (108) et la paroi extrados (110) de l'aube et des secondes cloisons (124 et 126) s'étendant entre deux premières cloisons (112 et 114,116 et 118), caractérisé ce que l'ensemble de refroidissement de chaque aube (700) de la roue à aubes comprend en outre au moins une cavité de régulation (150) de la température interne de l'aube (700) séparée des parois intrados et extrados (108 et 110), et ladite au moins une cavité de régulation (150) étant couplée au circuit d'alimentation en gaz de refroidissement de la roue à aubes, le circuit d'alimentation en gaz de refroidissement correspondant à la sortie du circuit (160) de refroidissement des plateformes des aubes de la roue à aubes, la cavité de régulation (150) étant indépendante des cavités de refroidissement (128 à 144) de l'aube (700).
7. 7. Roue à aubes selon la revendication 6, dans lequel ladite au moins une cavité de régulation (150) s'étend dans l'épaisseur d'une première ou seconde cloison (126).
8. 8. Turbine haute pression d'une turbomachine d'un aéronef comprenant une roue à aubes selon l'une quelconque des revendications 4 à 7.
9. 9. Turbomachine d'un aéronef comprenant une turbine haute pression selon la revendication 8.