FR3106157A1 - Composant de turbomachine comportant des orifices de refroidissement ameliores - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un composant (10) de turbomachine comportant une paroi (14) délimitée par une face interne (18) et une face externe (16) opposées, la paroi (14) comprenant au moins un orifice de refroidissement (12) pour permettre à un flux de gaz de traverser la paroi (14) en reliant fluidiquement la face interne (18) et la face externe (16), l’orifice de refroidissement (12) comportant un perçage (20) débouchant sur la face interne (18) et une embouchure (26) évasée qui débouche sur la face externe (16), l’embouchure (26) présentant une section progressivement croissante vers la face externe (16), l'embouchure (26) comportant en outre une face de fond (28) qui est inclinée par rapport à la face externe (16), caractérisé en ce que la face interne (18) de la paroi (14) comporte une surépaisseur (42) qui s’étend au droit de l'embouchure (26) de l’orifice de refroidissement (12). Figure pour l’abrégé : figure 2.
Description
L'invention concerne un composant de turbomachine comportant une pluralité d'orifices de refroidissement à sortie évasée.
L'invention concerne plus particulièrement la réalisation de ces orifices, pour améliorer la tenue mécanique du composant au niveau de ces orifices.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans une turbomachine d'aéronef, les parois de la chambre de combustion et les aubes fixes ou mobiles des turbines situées en aval de la chambre de combustion sont soumises aux fortes chaleurs provenant des gaz de combustion.
Pour assurer la tenue mécanique de ces composants, il a été proposé de les refroidir en utilisant un flux d'air à une température moindre, qui traverse la paroi du composant et qui est injecté de manière à former un film d'air recouvrant le composant.
Ce film d'air forme une barrière protectrice contre la chaleur du flux de gaz de combustion.
Pour cela, chaque composant comporte une pluralité d'orifices de refroidissement qui présentent chacun un perçage traversant la paroi du composant et une embouchure évasée formée dans la face du composant faisant face aux gaz chauds.
L'embouchure est configurée pour orienter le film d'air afin d'améliorer la protection thermique conférée par celui-ci.
L'embouchure est formée par enlèvement de matière à partir de la face externe du composant.
Cependant, l'épaisseur de la paroi du composant est relativement faible en certains endroits. C'est notamment le cas au niveau de la tête d'une aube pour laquelle l'épaisseur de la paroi est inférieure à 1mm, afin de limiter les contraintes mécaniques au niveau du pied de l'aube.
Par ailleurs, pour améliorer encore l'efficacité de ces orifices, il a été proposé d’augmenter la profondeur de l’embouchure.
Ainsi, l'épaisseur de la paroi du composant s'en retrouve encore plus réduite par la présence de l'embouchure.
Cette réduction d'épaisseur de la paroi du composant peut alors être critique, impliquant un risque de rupture du composant.
L'invention a pour but de proposer une solution permettant de réaliser un orifice de refroidissement à embouchure évasée en tout point du composant, sans que l'intégrité du composant ni les performances de l'orifice ne soit compromises.
L'invention propose un composant de turbomachine comportant une paroi délimitée par une face interne et une face externe opposées, la paroi comprenant au moins un orifice de refroidissement pour permettre à un flux de gaz de traverser la paroi en reliant fluidiquement la face interne et la face externe,
l’orifice de refroidissement comportant un perçage débouchant sur la face interne et une embouchure évasée qui débouche sur la face externe, l’embouchure présentant une section progressivement croissante vers la face externe,
l'embouchure comportant en outre une face de fond qui est inclinée par rapport à la face externe,
caractérisé en ce que la face interne de la paroi comporte une surépaisseur qui s’étend au droit de l'embouchure de l’orifice de refroidissement.
La présence d'une surépaisseur sur la face interne de la paroi du composant permet d'augmenter localement l'épaisseur de la face interne, pour améliorer la résistance de la paroi de sorte à ce que celle-ci puisse être réalisée plus fine en épaisseur.
De préférence, le composant comprend plusieurs orifices de refroidissement, chaque orifice de refroidissement comportant un perçage débouchant sur la face interne et une embouchure évasée qui débouche sur la face externe, l’embouchure présentant une section progressivement croissante vers la face externe, l'embouchure comportant en outre une face de fond qui est inclinée par rapport à la face externe et la face interne de la paroi comportant pour chaque orifice de refroidissement une surépaisseur correspondante qui s’étend au droit de l'embouchure de l’orifice de refroidissement.
De préférence, le composant comprend plusieurs orifices de refroidissement, chaque orifice de refroidissement comportant un perçage débouchant sur la face interne et une embouchure évasée qui débouche sur la face externe, l’embouchure présentant une section progressivement croissante vers la face externe, l'embouchure comportant en outre une face de fond qui est inclinée par rapport à la face externe et la face interne de la paroi comportant une surépaisseur qui s’étend au droit de l'embouchure de plusieurs orifice de refroidissement.
De préférence, plusieurs orifices de refroidissement forment un alignement, et chaque surépaisseur s'étend parallèlement audit alignement et sur la longueur dudit alignement.
De préférence, chaque surépaisseur comporte un bord qui s’étend au niveau d'un bord d’un orifice de refroidissement.
De préférence, le perçage de chaque orifice de refroidissement traverse une surépaisseur.
De préférence, chaque surépaisseur comporte une face biseautée.
De préférence, chaque perçage comprend une portion cylindrique qui débouche d’une part sur la face interne et d’autre part sur la face externe.
De préférence, le composant consiste en une aube de turbine de la turbomachine.
L'invention concerne aussi un noyau destiné à la réalisation de l'aube selon l'invention, caractérisé en ce qu’il comporte une face destinée à délimiter la face interne de la dite paroi du composant, et en ce que ladite face comporte une cavité destinée à former chaque surépaisseur de la face interne.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE L’INVENTION
On a représenté aux figures une portion d'un composant 10 de turbomachine comportant des orifices 12 de refroidissement selon l'état de la technique.
Le composant 10 est par exemple une aube de turbine de la turbomachine, que ce soit une aube mobile montée sur le rotor ou une aube fixe d'un distributeur de la turbine. Cette aube est une aube creuse comportant une cavité interne dans laquelle de l'air frais circule pour refroidir l'aube.
Le composant 10 peut aussi être une paroi de la chambre de combustion de la turbomachine.
Ce composant 10 coopère avec les gaz chauds produits dans la chambre de combustion. Un échauffement trop important du composant 10 nuirait à la tenue mécanique de celui-ci, impliquant par la suite une baisse d'efficacité de la turbomachine ou des interventions d'entretien fréquentes.
Pour réduire l'échauffement du composant 10, celui-ci comporte une paroi 14 délimitée par une face externe 16 qui coopère avec le flux de gaz chauds et une face interne 18 le long de laquelle un flux d'air, à une température moins élevée que les gaz chauds, circule.
La paroi 14 comporte une pluralité d'orifices 12 de refroidissement, qui ont pour but de permettre à de l'air frais s'écoulant le long de la face interne 18, de s'écouler aussi le long de la face externe 16. Ainsi, le flux d'air frais traverse la paroi 14 en s'écoulant au travers des orifices 12, pour passer depuis la face interne 18 vers la face externe 16, c’est-à-dire en s'écoulant selon une direction dite d'épaisseur de la paroi 14.
Selon le mode de réalisation pour lequel le composant 10 est une aube creuse de turbomachine, les orifices sont en communication fluidique avec le volume intérieur de la cavité interne, pour l'alimentation en air des orifices par cette cavité.
Pour cela, chaque orifice 12 comporte un perçage 20 formé dans la paroi 14 et une embouchure 26 formée en creux dans la face externe 16 et qui prolonge le perçage 20 selon une direction prédéfinie associée au sens d'écoulement du flux de gaz le long de la paroi 14.
Le perçage 20 est de préférence cylindrique, c’est-à-dire que sa section est constante sur toute sa longueur, mais il peut être de section variable sans sortir de l'invention. Aussi, le perçage 20 débouche, à une première de ses extrémités dans la face interne 18 de la paroi 14, et à l'autre de ses extrémités, dans la face externe 16 de la paroi 14 et dans l'embouchure 26. A titre d'exemple préféré et non limitatif, le diamètre du perçage 20 est inférieur à 1mm.
Selon un mode de réalisation préféré, et comme on peut le voir à la figure 2, la portion du perçage 20 qui débouche dans la face externe 16 est de forme cylindrique, comme le reste du perçage 20. Cela permet d'avoir une circulation rectiligne du flux de gaz dans le perçage 20, limitant les risques de décollement par rapport à l'art antérieur pour lequel la portion du perçage qui débouche dans la face externe forme une saillie communément désignée par le terme "casquette".
Dans la description qui va suivre, on fera référence aux orientations longitudinale, verticale et transversale selon le repère L, V, T représenté aux figures, dans lequel la direction longitudinale L est la direction selon laquelle l'embouchure 26 prolonge le perçage 20, la direction verticale V est la direction perpendiculaire à la face externe 16 et la direction transversale T est la direction perpendiculaire à la direction longitudinale L et parallèle à la face externe 16.
Comme on peut le voir à la figure 2, le perçage 20 possède un axe principal A qui est incliné par rapport à la direction verticale V. De préférence, l'axe principal A est situé dans un plan longitudinal vertical tel que celui de la figure 2, et il est orienté longitudinalement vers l'aval, selon le sens d'écoulement de l'air le long de la face externe 16.
L'embouchure 26 comporte une face de fond 28 qui s'étend longitudinalement vers l'aval, selon le sens d'écoulement du flux d'air, depuis le perçage 20 et qui est inclinée par rapport au plan longitudinal transversal de la face externe 16.
La face de fond 28 est aussi inclinée par rapport à l'axe principal A du perçage 20 selon un angle B qui est de préférence inférieur à 40 degrés. La valeur de cet angle B d'inclinaison est définie pour contrôler au mieux le décollement du film d'air frais le long de la face externe 16.
La face de fond 28 est délimitée longitudinalement par un bord amont 30 qui est situé à l'extrémité longitudinale amont de la face de fond 28, selon le sens d'écoulement du flux d'air et qui est à la liaison entre le perçage 20 et la face de fond 28. Ce bord amont 30 est situé, selon la direction d’épaisseur de la paroi 14, en retrait vers l'intérieur de la paroi 14 par rapport à la face externe 16.
La face de fond 28 est aussi délimitée longitudinalement par un bord aval 32 qui est situé à l'extrémité longitudinale aval de la face de fond 28, selon le sens d'écoulement du flux d'air. Ce bord aval est situé en affleurement avec la face externe 16, selon la direction d'épaisseur de la paroi 14.
Ainsi, la profondeur verticale de l'embouchure selon la direction d’épaisseur de la paroi 14 décroit progressivement au fur et à mesure que l'on s'éloigne du perçage 20.
De plus, l'embouchure 26 est évasée, c’est-à-dire que la dimension transversale de sa face de fond 28 augmente progressivement au fur et à mesure que l'on s'éloigne du perçage 20.
En se référant à la figure 1, on définit un angle d'évasement C de l'embouchure 26 comme étant l'angle délimité par des bords d'extrémité transversale 60 de l'embouchure 26.
La valeur de cet angle d'évasement C est de préférence inférieure à 40 degrés. Cet angle d'évasement C permet de piloter les tourbillons contra-rotatifs qui se forment à l’extrémité de l’empreinte et qui peuvent dégrader l’efficacité de film d'air frais le long de la face externe 16.
Ainsi, la section de l'embouchure 26, selon un plan parallèle à la paroi 14, c’est-à-dire un plan longitudinal transversal augmente progressivement au fur et à mesure que l'on se rapproche de la face externe 16.
Le flux d'air traversant l'orifice 12 s'écoule d'abord au travers du perçage 20 puis s'écoule dans l'embouchure 26 en longeant la face de fond 28.
Pour assurer une profondeur suffisante de l'embouchure 26, la distance verticale 40 entre le bord amont 30 de la face de fond 28 et la face interne 18 de la paroi 14 est ainsi relativement faible, ce qui peut, selon les cas, risquer d'affaiblir la paroi 14 au niveau de l'orifice de refroidissement 12.
Par exemple la distance verticale 40 peut être comprise entre 20% et 60% de l’épaisseur de la paroi 14.
Pour compenser cette réduction locale de l'épaisseur de la paroi 14, la face interne 18 de la paroi 14 comporte une surépaisseur 42 qui est située, dans la direction d’épaisseur de la paroi 14, au droit de l'embouchure 26. La surépaisseur 42 permet d'augmenter localement l'épaisseur de la paroi 14, consolidant celle-ci.
La dimension de surépaisseur 42, selon la direction d’épaisseur de la paroi 14, est de préférence comprise entre 10% et 60% de l’épaisseur de paroi 14.
Selon un premier mode de réalisation, et comme on peut le voir en référence aux figures 1 et 3, la paroi 14 comporte plusieurs orifices 12 formant un alignement. Ici, l'alignement est orienté selon la direction transversale. Il sera compris que l'alignement peut être incliné par rapport à la direction transversale, être rectiligne ou non.
De préférence, la face interne 18 de la paroi 14 comporte une surépaisseur unique 42 qui est associée à l'ensemble des orifices 12 de cet alignement.
La surépaisseur unique 42 forme une nervure rectiligne d'orientation principale transversale, qui s'étend transversalement sur au moins toute la dimension transversale de l'alignement, pour être associée à l'ensemble des orifices 12 de cet alignement.
Il sera compris que lorsque l'alignement d'orifices 12 n'est pas rectiligne, ni orienté transversalement, la surépaisseur unique 42 aura la même géométrie que cet alignement.
Selon une variante de réalisation représentée à la figure 4, la face interne 18 de la paroi 14 comporte une pluralité de surépaisseurs 42, dont chaque surépaisseur 42 est associée à un, ou plusieurs orifices de refroidissement.
Cette variante de réalisation permet de limiter la quantité de matière ajoutée à la face interne 18 de la paroi, limitant ainsi la masse du composant, même si les orifices 12 forment un alignement.
Cette variante de réalisation peut être mise en œuvre pour un ensemble d'orifices 12 formant un alignement comme représenté à la figure 1, ou bien pour des orifices répartis singulièrement sur la paroi 14 sans former un alignement.
Selon le mode de réalisation représenté à la figure 2, la section de la surépaisseur 42, selon un plan longitudinal vertical comporte un bord interne 44 qui est parallèle à la face interne 18, un bord amont 46 qui est situé longitudinalement en aval du perçage 20 et un bord aval 48.
Selon une variante de réalisation représentée à la figure 5, la section de la surépaisseur 42 comporte une face aval biseautée 50 qui est inclinée par rapport à la direction longitudinale L selon un angle similaire à l'angle d'inclinaison de la face de fond 28 de l'embouchure 26 par rapport à la direction longitudinale L.
Cette première variante permet de limiter la masse ajoutée au composant 10 par la présence de la surépaisseur 42.
Selon une autre variante de réalisation représentée à la figure 6, le bord amont 46 de la surépaisseur 42 est situé longitudinalement en amont du perçage 20. Le perçage 20 traverse ainsi la surépaisseur 42.
Comme pour le mode de réalisation de la figure 5, la surépaisseur comporte une face aval biseautée 50.
Cette variante de réalisation permet d'optimiser à la fois la masse et le pompage thermique du composant 10.
On a représenté à la figure 7 encore une autre variante de réalisation de la surépaisseur 42, qui améliore celle représentée à la figure 6, et dans laquelle le bord amont 46 de la surépaisseur 42 est situé longitudinalement en amont du perçage 20 et la surépaisseur 42 comporte une face amont biseautée 52.
Cette face amont 52 est inclinée par rapport à la face interne 18 de la paroi selon un angle prédéfini pour que cette face amont 52 soit sensiblement perpendiculaire à l'axe principal A du perçage 20.
Cette inclinaison de la face amont 52 permet de faciliter l’alimentation en air du perçage 20.
Le composant 10 est réalisé par un procédé de moulage puis, les perçages 20 et embouchures 26 sont formés par usinage.
Selon un mode de réalisation préféré, chaque surépaisseur 42 est réalisée lors de l'opération de moulage du composant 10.
Pour cela, notamment lorsque le composant 10 est une aube, un noyau 54 tel que représenté aux figures 8 et 9 est utilisé pour former une cavité interne à l'aube.
Ce noyau 54 comporte une face 56 destinée à former la face interne 18 de la paroi 14.
Pour former chaque surépaisseur 42 sur la face interne 18 de la paroi 14, la face 56 du noyau comporte une cavité 58 associé à chaque surépaisseur 42 à former.
Ainsi, par exemple, lorsque la face interne 18 porte une surépaisseur 42 unique associée à plusieurs orifices 12 alignés, la cavité 58 du noyau 54 est en forme de gorge allongée selon le profil de cette surépaisseur 42 allongée unique.
Lorsque la face interne 18 porte une surépaisseur 42 pour chaque orifice 12, le noyau 54 comporte une pluralité de cavités 58, dont chacune est associée à une surépaisseur 42 à former.
Le noyau 54 peut être produit selon plusieurs procédés: fabrication additive directe, fabrication additive indirecte, injection ou usinage.
Claims (10)
- Composant (10) de turbomachine comportant une paroi (14) délimitée par une face interne (18) et une face externe (16) opposées, la paroi (14) comprenant au moins un orifice de refroidissement (12) pour permettre à un flux de gaz de traverser la paroi (14) en reliant fluidiquement la face interne (18) et la face externe (16),
l’orifice de refroidissement (12) comportant un perçage (20) débouchant sur la face interne (18) et une embouchure (26) évasée qui débouche sur la face externe (16), l’embouchure (26) présentant une section progressivement croissante vers la face externe (16),
l'embouchure (26) comportant en outre une face de fond (28) qui est inclinée par rapport à la face externe (16),
caractérisé en ce que la face interne (18) de la paroi (14) comporte une surépaisseur (42) qui s’étend au droit de l'embouchure (26) de l’orifice de refroidissement (12). - Composant (10) de turbomachine selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs orifices de refroidissement (12), chaque orifice de refroidissement (12) comportant un perçage (20) débouchant sur la face interne (18) et une embouchure (26) évasée qui débouche sur la face externe (16), l’embouchure (26) présentant une section progressivement croissante vers la face externe (16), l'embouchure (26) comportant en outre une face de fond (28) qui est inclinée par rapport à la face externe (16) et la face interne (18) de la paroi (14) comportant pour chaque orifice de refroidissement une surépaisseur (42) correspondante qui s’étend au droit de l'embouchure (26) de l’orifice de refroidissement (12).
- Composant (10) de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs orifices de refroidissement (12), chaque orifice de refroidissement (12) comportant un perçage (20) débouchant sur la face interne (18) et une embouchure (26) évasée qui débouche sur la face externe (16), l’embouchure (26) présentant une section progressivement croissante vers la face externe (16), l'embouchure (26) comportant en outre une face de fond (28) qui est inclinée par rapport à la face externe (16) et la face interne (18) de la paroi (14) comportant une surépaisseur (42) qui s’étend au droit de l'embouchure (26) de plusieurs orifice de refroidissement (12).
- Composant (10) de turbomachine selon la revendication 2 ou 3, dans lequel plusieurs orifices de refroidissement (12) forment un alignement, caractérisé en ce que chaque surépaisseur (42) s'étend parallèlement audit alignement et sur la longueur dudit alignement.
- Composant (10) de turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque surépaisseur (42) comporte un bord (46) qui s’étend au niveau d'un bord d’un orifice de refroidissement (12).
- Composant (10) de turbomachine selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le perçage (20) de chaque orifice de refroidissement (12) traverse une surépaisseur (42).
- Composant (10) de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque surépaisseur (42) comporte une face (52) biseautée.
- Composant (10) de turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque perçage (20) comprend une portion cylindrique qui débouche d’une part sur la face interne (18) et d’autre part sur la face externe (16).
- Composant (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il consiste en une aube de turbine de la turbomachine.
- Noyau (54) destiné à la réalisation de l'aube selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il comporte une face (56) destinée à délimiter la face interne (18) de la dite paroi (14) du composant (10), et en ce que ladite face (56) comporte une cavité (58) destinée à former chaque surépaisseur (42) de la face interne (18).
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| US20130205794A1 (en) * | 2012-02-15 | 2013-08-15 | United Technologies Corporation | Gas turbine engine component with impingement and lobed cooling hole |
| US20160177738A1 (en) * | 2014-09-08 | 2016-06-23 | United Technologies Corporation | Gas turbine engine component with film cooling hole |
| EP3239462A1 (fr) * | 2016-04-26 | 2017-11-01 | General Electric Company | Profil aérodynamique pour un moteur à turbine |
-
2020
- 2020-01-10 FR FR2000198A patent/FR3106157B1/fr active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130205794A1 (en) * | 2012-02-15 | 2013-08-15 | United Technologies Corporation | Gas turbine engine component with impingement and lobed cooling hole |
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| FR3106157B1 (fr) | 2023-04-28 |
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