FR3082878A1

FR3082878A1 - Aube de turbomachine

Info

Publication number: FR3082878A1
Application number: FR1855451A
Authority: FR
Inventors: Bruno Marc-Etienne Loisel; Franck Denis Daniel Limousin; Alexandre Thanh Nhan Nguyen; Carine Thuy-Huong Pragassam
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2019-12-27
Anticipated expiration: 2038-06-20
Also published as: FR3082878B1

Abstract

L'invention concerne une aube (1) comprenant successivement selon un axe radial (Z), un pied (12) et une pale (10) présentant un extrados (103) et un intrados (105). Le pied (12) comprend au moins une face latérale concave (121) du côté de l'intrados (105) et une face latérale convexe (122) du côté de l'extrados (103), chacune avec au moins deux portions sensiblement planes (125a, 125b, 126a, 126b) et non parallèles l'une par rapport à l'autre.

Description

AUBE DE TURBOMACHINE

DOMAINE DE L'INVENTION ET ETAT DE LA TECHNIQUE

La présente invention concerne le domaine des aubes et en particulier le domaine des aubes destinées aux turbomachines notamment de type aéronautique.

Une turbomachine comprend classiquement un compresseur, une chambre de combustion et une turbine. Le rôle du compresseur est d’accroître la pression de l’air fournie à la chambre de combustion. Le rôle de la turbine est d’assurer l’entrainement en rotation du compresseur en prélevant une partie de l’énergie de pression des gaz chauds sortant de la chambre de combustion et en la transformant en énergie mécanique.

Une turbomachine peut être du type « à double flux » c’est-à-dire qu’elle est traversée par deux flux d’air, un flux primaire et un flux secondaire. Le flux primaire est produit par des éléments constitutifs d’une turbomachine simple flux auxquels une ou plusieurs turbines supplémentaires sont ajoutées afin d’entraîner un étage de compression.

Chaque turbine comprend plusieurs aubes mobiles constituées chacune d’au moins une pale positionnée sur un pied présentant un bulbe. Le bulbe permet de fixer l’aube au disque de la turbine. Il s’agit d’une pièce de sécurité, soumise à d’importantes contraintes et ayant un rôle important dans le bon fonctionnement de la turbine.

La tendance actuelle concernant les aubes est d’avoir des pales de plus en plus cintrées (c’est-à-dire très incurvées, en forme de C). En effet, le cintrage des pales permet d’améliorer les performances de la turbine. Cependant, le cintrage des pales nécessite d’adapter le pied. En effet, plus la pale est cintrée, plus son bord d’attaque, son bord de fuite et le sommet de son extrados risquent de dépasser d’un pied standard. En conséquence, il est nécessaire d’adapter la géométrie du pied à la géométrie de la pale. Cependant la géométrie du pied est dictée par le nombre d’aubes autour du moyeu. Il n’est donc pas possible de, par exemple, modifier l’orientation du pied pour qu’elle puisse contenir toute une pale cintrée.

Pour satisfaire au mieux ces différentes contraintes, actuellement, plusieurs approches sont employées.

Dans certains cas, la section de la pale est localement réduite, au droit du pied, pour que la pale cintrée puisse s’intégrer sur le pied.

Cela crée des formes de pale particulières et donc des impacts aérodynamiques et métallurgiques. En effet, si la section en pied est plus faible, il y aura un impact sur l’écoulement du métal lors de la fonte de l’aube qui ne sera pas continue. La poussée des grains ne sera donc pas maîtrisée dans cette zone. De plus, la forme résultante créera un ressaut au bord d’attaque et au bord de fuite pouvant former des tourbillons impactant la performance de la turbine.

Une autre solution tout aussi insatisfaisante, consiste à réduire le cintrage de la pale par rapport aux prévisions de conception, tout en usinant le pied pour en modifier l’orientation en fonction du cintrage de la pale.

Le cintrage de la pale est réduit par rapport à ce qui serait souhaité lors de la conception, et les parois latérales du pied sont usinées. L’objectif recherché est alors de réduire le moins possible le cintrage de la pale tout en restant dans les limites géométriques acceptable pour le pied. Cette solution présente plusieurs inconvénients. Tout d’abord, cette solution consiste en un compromis entre performance et faisabilité, cette solution n’est donc pas la solution optimale désirée. De plus, le cintrage de la pale modifie l’orientation du pied par rapport à l’orientation du bulbe de fixation. En d’autres termes, avec cette solution, plus la pale est cintrée, plus le pied et le bulbe vont être désaxés. Dans ces conditions, il est fréquent que lors de l’usinage des faces latérales du pied la fraise entaille une partie du bulbe.

En conséquence, il est nécessaire de fournir une aube présentant une pale cintrée fixée sur un pied présentant une géométrie compatible avec le cintrage de la pale, tout en pouvant fixée à un moyeu de turbine sans risque d’avoir un bulbe endommagé.

PRESENTATION GENERALE DE L’INVENTION

Selon un premier aspect, l’invention concerne une aube comprenant successivement selon un axe radial, un pied et une pale présentant un extrados et un intrados. Le pied comprend au moins une face latérale concave du côté de l’intrados et une face latérale convexe du côté de l’extrados, chacune avec au moins deux portions sensiblement planes et non parallèles l’une par rapport à l’autre.

La présence sur chaque face latérale, d’au moins deux portions sensiblement planes non parallèles l’une par rapport à l’autre, permet à chaque face latérale de présenter une géométrie adaptée à la courbure de la pale, sans augmenter le volume ou la surface du pied. En outre, l’inclinaison des portions sensiblement planes (i.e. leur non parallélisme) permet au pied d’avoir un axe longitudinal faiblement décalé par rapport à l’axe longitudinal du bulbe, de sorte qu’il n’y a pas de risque d’endommager le bulbe lors de l’usinage des face latérales du pied (contrairement aux dispositifs de l’art antérieur dans lesquels l’axe longitudinal du pied est tellement incliné par rapport à l’axe longitudinal du bulbe que des coins du bulbe sont proéminents par rapport aux faces latérales de du pied et peuvent être endommagés lors de l’usinage des faces latérales).

Il est précisé que par « deux portions sensiblement planes non parallèles l’une par rapport à l’autre », on entend que chaque portion sensiblement plane appartient à un plan infini correspondant. Les deux portions sensiblement planes de chaque face latérale sont inclinées l’une par rapport à l’autre, de sorte que leurs plans correspondants sont sécants (i.e. les portions ne sont inclinées mais pas obligatoirement sécantes alors que leurs plans sont nécessairement sécants).

Ainsi, l’invention propose une aube présentant une pale cintrée fixée sur un pied présentant une géométrie compatible avec le cintrage de la pale, tout en pouvant être fixée à un moyeu de turbine sans risque d’avoir un bulbe endommagé.

Pour chaque face latérale, les portions sensiblement planes peuvent se succéder selon un axe longitudinal du pied.

La face latérale concave peut comprendre une première portion sensiblement plane, dite portion d’attaque, qui affleure un bord d’attaque de la pale et une deuxième portion sensiblement plane, dite portion de fuite, qui affleure le bord de fuite de la pale.

La face latérale convexe peut affleurer une flèche maximale d’une enveloppe de l’extrados de la pale.

La face latérale concave et la face latérale convexe peuvent comprendre chacune au moins une portion sensiblement plane, parallèles l’une à l’autre.

La face latérale convexe peut présenter une première portion sensiblement plane, dite portion d’attaque de la face latérale convexe, parallèle à la portion d’attaque de la face latérale concave, et peut présenter une deuxième portion sensiblement plane, dite portion de fuite de la face latérale convexe, parallèle à la portion de fuite de la face latérale concave.

Une jonction de la portion d’attaque et de la portion de fuite peut affleurer la flèche maximale de l’enveloppe de l’extrados de la pale.

Le pied peut comprendre successivement selon un axe radial, un bulbe, une échasse et une plateforme, l’échasse présentant les faces latérales concave et convexe.

La portion d’attaque de la face latérale concave peut ne pas coïncider avec un axe longitudinal du bulbe.

La portion d’attaque de la face latérale convexe peut ne pas coïncider avec un axe longitudinal du bulbe.

La portion d’attaque de la face latérale concave peut ne pas coïncider avec un axe longitudinal du pied.

La portion d’attaque de la face latérale convexe peut ne pas coïncider avec un axe longitudinal du pied.

Selon un autre aspect l’invention concerne un procédé de fabrication d’une aube comprenant successivement selon un axe radial, un pied et une pale présentant un extrados et un intrados, le pied comprenant au moins une face latérale concave et une face latérale convexe, chacune avec au moins deux portions sensiblement planes et non parallèles l’une par rapport à l’autre. Le procédé comprend une étape d’usinage de chaque face latérale avec une meule de forme.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :

- la figure 1 est une représentation en perspective d’une aube selon l’invention ;

- la figure 2 est une représentation schématique en coupe de dessus d’une aube selon l’invention ;

- la figure 3 est une représentation schématique de dessous d’une aube selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

Architecture générale

En référence à la figure 1, la présente aube 1 est une aube 1 d’une turbine basse pression de turbomachine à double flux, constituée de façon connue d’une pale 10 et d’un pied 12. On définit un repère de l’aube 1 comprenant un axe longitudinal X, un axe radial Z orthogonal à l’axe longitudinal X, et un axe azimutal Y (i.e. tangentiel, c’est-à-dire orthogonal à la fois à l’axe radial Z et à l’axe longitudinal X).

Par commodité ledit axe longitudinal X est choisi comme étant l’axe longitudinal du pied 12, i.e. correspondant à l’axe médian du volume parallélépipédique dans lequel est inscrit le pied 12, et est généralement légèrement incliné par rapport à un axe de rotation de la turbomachine lorsque l’aube 1 est installée.

Le pied 12 présente une géométrie particulière qui va être décrite plus loin.

De façon classique, la pale 10 s’étend selon l’axe longitudinal X entre un bord d’attaque 101 et un bord de fuite 102, et selon l’axe azimutal Y entre une face dite d’extrados 103 (celle présentant la cambrure) et une face opposée dite d’intrados 105.

La face d’extrados est définie par une enveloppe présentant une flèche maximale 106.

Par flèche maximale 106, il est entendu le point d’inflexion de l’enveloppe curviligne de l’extrados 103. Il s’agit du point de l’extrados 103 qui est le plus éloigné du bord d’attaque 101 et du bord de fuite 102.

Pied

Le pied 12 permet la fixation de l’aube 1. Le pied 12 est crucial du point de vue mécanique car il va récupérer de fortes contraintes, liées aux forces centrifuges notamment.

Selon l’axe radial Z, le pied 12 comprend successivement un bulbe 13 pouvant par exemple présenter une section sensiblement arrondie, une échasse et une plateforme.

L’échasse (en anglais « shank ») est la partie qui assure la continuité entre la pale 10 et le bulbe 13 de l’aube 1, i.e. l’aube 1 comprend successivement en parcourant selon l’axe radial Z le bulbe 13, l’échasse, la plateforme et la pale 10.

Le bulbe 13 est une partie axialement rectiligne (dite « droite ») qui s’insère, par translation selon un axe A généralement également légèrement incliné par rapport à l’axe longitudinal X du pied 12, dans une alvéole de forme complémentaire d’un disque formant moyeu d’une turbine (non représentée), afin d’assurer le blocage de l’aube 1. On verra la nature de cette interaction en détail plus loin.

Selon le mode de réalisation ici présenté, le pied 12 présente une plateforme radialement opposée au bulbe 13, sur laquelle est fixée la pale 10. Il est précisé que selon d’autres mode de réalisation, le pied 12 pourrait être dépourvu de plateforme, auquel cas, la pale 10 serait fixée directement dans le prolongement de l’échasse.

En sus, par rapport à son axe longitudinal X, le pied 12 présente deux faces latérales : une face latérale concave 121 et une face latérale convexe 122. Plus précisément, les faces latérales concave 121 et convexe 122 appartiennent à l’échasse.

La face latérale concave 121 est en regard de l’intrados 105 de la pale 10 et la face latérale convexe 122 est en regard de l’extrados 103.

Chaque face latérale 121 et 122 peut présenter au moins deux portions sensiblement planes 125. Selon un mode de réalisation préférentiel, pour chaque face latérale 121 et 122, les portions sensiblement planes 125 se succèdent selon l’axe longitudinal X du pied 12.

Par succède, il est entendu que les portions sensiblement planes se rencontrent successivement en parcourant le pied 12 selon l’axe longitudinal X du pied 12. Selon une disposition préférée, les faces latérales 121 et 122 comprennent chacune deux portions sensiblement planes positionnées directement l’une à la suite de l’autre.

Cependant, selon d’autres modes de réalisation, les faces latérales pourraient présenter plus de deux portions sensiblement planes, ou pourraient présenter - par exemple - des congés reliant les portions sensiblement planes.

Les deux portions sensiblement planes 125a, 125b, 126a, 126b d’une face latérale 121, 122 sont non parallèle entre elles.

La face latérale concave 121 comprend avantageusement une première portion sensiblement plane, dite portion d’attaque 125a, qui affleure le bord d’attaque 101 de la pale 10 et une deuxième portion sensiblement plane, dite portion de fuite 125b, qui affleure le bord de fuite 102 de la pale 10.

Par affleurer, il est entendu que la portion d’attaque 125a arrive au niveau du bord d’attaque 101, i.e. la portion d’attaque 125a appartient à un même plan qu’au moins un point du bord d’attaque 101. Il en va de même pour la portion de fuite 125b avec le bord de fuite et pour tous les autres éléments du présent document qui sont définis comme affleurant à un autre élément.

De même, la face latérale convexe 122 comprend avantageusement une première portion sensiblement plane, dite portion d’attaque 126a, préférentiellement sensiblement parallèle à la portion d’attaque 125a de la face latérale concave 121 et une deuxième portion sensiblement plane, dite portion de fuite 125b, préférentiellement sensiblement parallèle à la portion de fuite 126b de la face latérale concave 121. On obtient ainsi une forme en « chevron » du pied 12 avec une cote sensiblement constante entre la face latérale concave 121 et la face latérale convexe 122.

En outre, la face latérale convexe 122 peut affleurer la flèche maximale 106 de l’enveloppe de l’extrados 103 de la pale 10.

La géométrie spécifique des faces latérales concave 121 et convexe 122, définit par rapport au bord d’attaque 101, au bord de fuite 102 et à la flèche maximale 106 de l’enveloppe de l’extrados 103, permettent au pied 12 d’avoir un volume optimal. En d’autres termes, le volume du pied 12 est défini de manière à être le plus faible possible tout en intégrant les contraintes dimensionnelles de la pale 10.

Il est remarquable que la portion d’attaque 125a de la face latérale concave 121 ne coïncide pas avec l’axe longitudinal A du bulbe 13. En d’autres termes, la portion d’attaque 125a de la face latérale concave 121 définit un plan sécant de l’axe longitudinal A du bulbe 13 (i.e. la portion d’attaque 125a de la face latérale concave 121 n’est pas parallèle à l’axe longitudinal A du bulbe 13, ce qui signifie que la portion d’attaque 121 de la face latérale concave 121 est inclinée par rapport à l’axe longitudinal du bulbe 13).

En référence à la figure 3, on note B l’axe défini par l’intersection de la portion d’attaque 125a de la face latérale concave 121 avec le plan engendré par l’axe longitudinal X et l’axe azimutal Y. En d’autres termes, la portion d’attaque 125a est engendrée par l’axe B et l’axe radial Z. On voit qu’il est sécant de l’axe longitudinal A du bulbe 13.

De même, la portion d’attaque 126a de la face latérale convexe 122 ne coïncident pas avec l’axe longitudinal A du bulbe 13. En d’autres termes, la portion d’attaque 126a de la face latérale convexe 122 définit un plan sécant de l’axe longitudinal A du bulbe 13 (i.e. la portion d’attaque 126a de la face latérale convexe

122 n’est pas parallèle à l’axe longitudinal A du bulbe 13, ce qui signifie que la portion d’attaque 125a de la face latérale convexe 122 est inclinée par rapport à l’axe longitudinal A du bulbe 13).

Dans le mode de réalisation de la figure 3, la portion d’attaque 126a de la face latérale convexe 122 est parallèle à la portion d’attaque 125a de la face latérale concave 121 et est donc également engendrée par l’axe B et l’axe radial Z.

En outre, la portion d’attaque 125a de la face latérale concave 121 ne coïncide pas avec l’axe longitudinal X du pied 12. En d’autres termes, la portion d’attaque 125a de la face latérale concave 121 définit un plan sécant de l’axe longitudinal X du pied 12 (i.e. la portion d’attaque 125a de la face latérale concave 121 n’est pas parallèle à l’axe longitudinal X du pied 12, ce qui signifie que la portion d’attaque 125a de la face latérale concave 121 est inclinée par rapport à l’axe longitudinal X du pied 12).

De même, la portion d’attaque 126a de la face latérale convexe 122 ne coïncide pas avec un axe longitudinal X du pied 12. En d’autres termes, la portion d’attaque 126a de la face latérale convexe 122 définit à un plan sécant de l’axe longitudinal X du pied 12 (i.e. la portion d’attaque 126a de la face latérale convexe 122 n’est pas parallèle à l’axe longitudinal X du pied 12, ce qui signifie que la portion d’attaque 126a de la face latérale convexe 122 est inclinée par rapport à l’axe longitudinal X du piedl2).

Similairement avec les portions de fuite 125b et 126b de la face latérale concave 121 et de la face latérale convexe 122 appartiennent avantageusement à des plans sécants à l’axe longitudinal A du bulbe 13 et à l’axe longitudinal X du pied 12. En référence à la figure 3, on note C l’axe défini par l’intersection de la portion de fuite 125b de la face latérale concave 121 (ou la portion de fuite 126b de la face latérale concave 122, puisqu’elles sont parallèles l’une à l’autre) avec le plan engendré par l’axe longitudinal X et l’axe azimutal Y. En d’autres termes, la portion de fuite 125b est engendrée par l’axe C et l’axe radial Z. On voit qu’il est sécant de l’axe longitudinal A du bulbe 13 (et de l’axe B).

En résumé, en référence à la figure 3:

- l’axe longitudinal A du bulbe 13 est distinct de l’axe longitudinal X du pied 12 (i.e. ces deux axes sont non-colinéaires),

- les deux portions d’attaque 125a et 126a sont parallèles l’une à l’autre mais ne coïncident pas avec les axes longitudinaux A etX du bulbe 13 et du pied 12,

- les deux portions de fuite 125b et 126b sont parallèles l’une à l’autre, mais ne coïncident pas avec les axes longitudinaux A et X du bulbe 13 et du pied 12.

D’une manière particulièrement avantageuse, les faces latérales concaves 121 et convexes 122 permettent au pied 12 de présenter une géométrie adaptée à la courbure de la pale 10, tout en conservant un pied 12 d’un volume sensiblement standard.

Cette disposition technique est particulièrement avantageuse car elle permet de résoudre un paradoxe, jusque-là imposé lors de la fabrication des aubes 1, entre la courbure de la pale 10 et le volume maximal possible du pied 12.

Ainsi, l’invention propose une aube 1 présentant une pale 10 cintrée fixée sur un pied 12 présentant une géométrie compatible avec le cintrage de la pale 10, tout en pouvant fixée à un moyeu de turbine sans risque d’avoir un bulbe 13 endommagé.

Procédé de fabrication

L’invention concerne aussi un procédé de fabrication d’une aube 1 comprenant successivement selon un axe radial Z, un pied 12 et une pale 10 présentant un extrados et un intrados, le pied 12 comprenant au moins une face latérale concave 121 et une face latérale convexe 122, chacune avec au moins deux portions sensiblement planes 125 et non parallèles l’une par rapport à l’autre. Le procédé comprend au moins une étape d’usinage des faces latérales concave 121 et convexe avec une meule de forme.

D’une manière préférentielle, le pied 12 comprend successivement, selon un axe radial Z, un bulbe 13 axialement rectiligne, une échasse et une plateforme.

Selon une disposition particulière, le procédé peut comprendre une première étape de fabrication par fonderie, à la suite de laquelle le pied 12 peut présenter une géométrie curviligne ou parallélépipédique.

Puis les faces concaves 121 et convexes 122 (et plus précisément leurs portions sensiblement planes 125a, 125b, 126a, 126b) peuvent être réalisées avec une meule de forme, i.e. en retirant de la matière par rapport au pied 12 d’origine.

D’une manière particulièrement avantageuse, la géométrie spécifique du pied 12 5 permet d’usiner les faces latérales 125 sans risquer d’endommager le bulbe 13.

Claims

REVENDICATIONS

1. Aube (1) comprenant successivement selon un axe radial (Z), un pied (12) et une pale (10) présentant un extrados (103) et un intrados (105), caractérisée en ce que le pied (12) comprend au moins une face latérale concave (121) du côté de l’intrados (105) et une face latérale convexe (122) du côté de l’extrados (103), chacune avec au moins deux portions sensiblement planes (125a, 125b, 126a, 126b) et non parallèles l’une par rapport à l’autre.
2. Aube (1) selon la revendication 1, dans laquelle, pour chaque face latérale (121, 122), les portions sensiblement planes (125a, 125b, 126a, 126b) se succèdent selon un axe longitudinal (X) du pied (12).
3. Aube (1) selon l’une des revendications 1 et 2, dans laquelle la face latérale concave (121) comprend une première portion sensiblement plane, dite portion d’attaque (125a) de la face latérale concave (121), qui affleure un bord d’attaque (101) de la pale (10) et une deuxième portion sensiblement plane, dite portion de fuite (125b) de la face latérale concave (121), qui affleure le bord de fuite (103) de la pale (10).
4. Aube (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le pied (12) comprend successivement selon un axe radial (Z), un bulbe (13) , une échasse et une plateforme, l’échasse présentant les faces latérales concave (121) et convexe (122).
5. Aube (1) selon les revendications 3 et 4 en combinaison, dans laquelle la portion d’attaque (125a) de la face latérale concave (121) ne coïncide pas avec un axe longitudinal (A) du bulbe (13).
6. Aube (1) selon les revendications 3 et 4 en combinaison ou selon la revendication 5, dans laquelle la portion d’attaque (125a) de la face latérale concave (121) ne coïncide pas avec un axe longitudinal (X) du pied (12).
7. Aube (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la face latérale convexe (122) affleure une flèche maximale (106) d’une enveloppe de l’extrados (105) de la pale (10).
8. Aube (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la face latérale concave (121) et la face latérale convexe (122) comprennent chacune au moins une portion sensiblement plane (125a, 125b, 126a, 126b), parallèles l’une à l’autre.
9. Aube (1) selon les revendications 3 et 8 en combinaison, dans laquelle la face latérale convexe (122) présente une première portion sensiblement plane, dite portion d’attaque (126a) de la face latérale convexe (122), parallèle à la portion d’attaque (125a) de la face latérale concave (121), et présente une deuxième portion sensiblement plane, dite portion de fuite (126b) de la face latérale convexe (122), parallèle à la portion de fuite (125b) de la face latérale concave (121).
10. Aube (1) selon les revendications 6 et 9 en combinaison, dans laquelle une jonction de la portion d’attaque (126a) et de la portion de fuite (126b) affleure la flèche maximale de l’enveloppe de l’extrados (105) de la pale (10).
11. Aube (1) selon l’une quelconque des revendications 9 ou 10, dans laquelle la portion d’attaque (126a) de la face latérale convexe (122) ne coïncide pas avec un axe longitudinal (A) du bulbe (13).
12. Aube (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, dans laquelle la portion d’attaque (126a) de la face latérale convexe (122) ne coïncide pas avec un axe longitudinal (X) du pied (12).

5
13. Procédé de fabrication d’une aube (1) comprenant successivement selon un axe radial (Z) un pied (12) et une pale (10) présentant un extrados (103) et un intrados (105), le pied (12) comprenant au moins une face latérale concave (121) et une face latérale convexe (122), chacune avec au moins deux portions sensiblement planes (125a, 125b, 126a, 126b) et 10 non parallèles l’une par rapport à l’autre, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’usinage de chaque face latérale (121, 122) avec une meule de forme.