FR3111661A1 - Aube de turbine avec système de refroidissement - Google Patents

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Abstract

Le présent exposé concerne une aube de turbine d’axe longitudinal comprenant : un circuit interne de circulation d’air de refroidissement comportant au moins un premier trou (200) débouchant à une première extrémité (202) au niveau d’une surface externe (204) de l’aube (100) et à une seconde extrémité (206) opposée au niveau d’une surface interne (208) d’une cavité de l’aube, chaque premier trou (200) s’étendant dans un plan transversal incliné par rapport à une normale à la surface interne (208) au niveau de la seconde extrémité (206), chaque premier trou (200) comprenant en outre une partie évasée (210) du côté de la première extrémité (202), et dans lequel la surface interne (208) de la cavité comprend un bossage (214) s’étendant dans ledit plan transversal entre la première extrémité (202) et la seconde extrémité (206) d’au moins un des premiers trous (200). Figure à publier avec l’abrégé : figure n°3

Description

Aube de turbine avec système de refroidissement
Domaine technique de l’invention
Le présent exposé concerne les aubes de turbine, en particulier les aubes de turbines avec des trous de refroidissement.
Etat de la technique antérieure
On connait les aubes de turbines, en particulier les aubes mobiles pour turbine haute pression, comprenant des trous de refroidissement débouchant dans une cavité interne des aubes et configurés pour refroidir les aubes de turbine en fonctionnement. Un exemple d’une aube de turbine vue en coupe est représenté à la figure 1 et est représenté vue en perspective à la figure 2. L'aube 10 comporte une surface aérodynamique 102 (ou pale) qui s'étend radialement entre un pied d'aube 104 et un sommet d'aube 106. Le pied d'aube 104 est destiné à être monté sur un disque du rotor de la turbine comprenant l’aube 10 par exemple une turbine haute-pression.
La surface aérodynamique 102 présente un bord d'attaque 108 disposé en regard de l'écoulement des gaz chauds issus de la chambre de combustion de la turbomachine comprenant la turbine, un bord de fuite 110 opposé au bord d'attaque 108, une face latérale intrados 112 et une face latérale extrados 114, ces faces latérales 112, 114 reliant le bord d'attaque 108 au bord de fuite 110. L’aube 10 comprend une ou plusieurs cavités 14 agencées entre les faces extrados et intrados.
L’aube 10 comprend une pluralité de trous de refroidissement 12 traversant l’épaisseur de l’aube en partant d’une surface externe 18 de l’aube et débouchant dans une cavité interne 14 de ladite aube 10. Le trou de refroidissement 12 est incliné dans le plan transversal de l’aube 10 de sorte que le trou de refroidissement forme un angle α avec une surface interne 16 de la cavité interne 14 de l’aube de turbine10. Le trou de refroidissement 12 comprend une première partie 20 du côté de la surface externe 18 et une seconde partie 22 du côté de la surface interne 16. La seconde partie 22 présente un diamètre constant tandis que la première partie s’évase en direction de la surface externe 18. La première partie 20 forme l’embouchure du trou de refroidissement 12 et se présente généralement sous une forme oblongue pour créer un film d’air de refroidissement. Le trou de refroidissement permet une meilleure circulation du flux de refroidissement dans l’aube 10. En effet, lorsque la distance 24 entre la première partie 20 et la surface interne 16 diminue, la circulation du flux de refroidissement est améliorée. Cependant, la réduction de cette distance 24 augmente les contraintes mécaniques locales. De la même manière, lorsque l’angle α diminue, le refroidissement est plus efficace, mais les contraintes mécaniques sont augmentées. Cela est principalement dû au fait qu’une épaisseur résiduelle faible et un angle aigu vont générer des discontinuités géométriques plus marquées, ce qui entraine une augmentation des contraintes mécaniques locales. L’aube est ainsi soumise à une usure plus rapide et plus importante.
Le présent exposé a pour but de proposer une aube munie d’un circuit de refroidissement et présentant moins de contraintes mécaniques.
Pour cela, le présent exposé propose une aube de turbine d’axe longitudinal comprenant :
un circuit interne de circulation d’air de refroidissement comportant au moins un premier trou débouchant à une première extrémité au niveau d’une surface externe de l’aube et à une seconde extrémité opposée au niveau d’une surface interne d’une cavité de l’aube, chaque premier trou s’étendant dans un plan transversal incliné par rapport à une normale à la surface interne au niveau de la seconde extrémité, chaque premier trou comprenant en outre une partie évasée du côté de la première extrémité, et
dans lequel la surface interne de la cavité comprend un bossage s’étendant dans ledit plan transversal entre la première extrémité et la seconde extrémité d’au moins un des premiers trous.
Ainsi, le bossage réalisé au niveau de la cavité permet d’augmenter la distance entre la partie évasée et la surface interne de la cavité de l’aube. De même, le bossage permet d’augmenter l’angle entre le premier trou au niveau de la seconde extrémité et la surface interne de la cavité de l’aube. Ainsi, les contraintes mécaniques sont réduites car l’épaisseur résiduelle et les angles aigus sont limités. L’aube présente donc une durée de vie améliorée par rapport aux aubes de l’état de la technique.
Au moins un bossage peut être réalisé adjacent à la seconde extrémité d’un trou de refroidissement et peut s’étendre sur la surface interne de la cavité entre la seconde extrémité et la projection de la seconde extrémité sur la surface interne du trou de refroidissement associé audit bossage.
Au moins un bossage peut s’étendre en saillie vers l’intérieur de la cavité de l’aube à partir de la surface interne.
Chacun des premiers trous de refroidissement peut être du type traversant.
Le diamètre de l’au moins un des premiers trous au niveau de la première extrémité peut être supérieur au diamètre dudit premier trou au niveau de la seconde extrémité.
Au moins un, en particulier chaque, premier trou peut comprendre une première partie de trou agencée du côté de la première extrémité présentant un diamètre s’élargissant en direction de la première extrémité. Au moins un, en particulier chaque, premier trou peut comprendre une seconde partie de trou agencée du côté de la seconde extrémité présentant un diamètre constant. Cet agencement permet une circulation améliorée du fluide de refroidissement dans l’aube.
Pour au moins un, en particulier chacun, des premiers trous, le rayon du bossage peut être supérieur à 0.2 mm en particulier supérieur à 0.5 mm.
Selon un mode de réalisation, pour au moins un des premiers trous, le bossage peut s’étendre à partir de la seconde extrémité dudit premier trou.
L’aube peut comprendre en outre une pluralité de perturbateurs de flux de refroidissement agencés dans la cavité de ladite aube et pour au moins un des premiers trous la hauteur du bossage peut être inférieure ou égale à la hauteur des perturbateurs de flux de refroidissement.
Pour au moins un, en particulier chacun, des premiers trous, la hauteur du bossage peut être inférieure ou égale à 0.5 mm.
Pour au moins un des premiers trous, le bossage peut être réalisé de sorte à former un perturbateur de flux de refroidissement, par exemple le bossage peut présenter une épaisseur prédéterminée de sorte à former un perturbateur de flux de refroidissement. Ainsi le nombre de perturbateurs de flux de refroidissement peut être limité.
Au moins un perturbateur de flux de refroidissement peut être formé par une nervure agencée dans la cavité de l’aube. Par exemple, au moins un perturbateur de flux de refroidissement peut être formé par une nervure s’étendant dans la direction normale à la surface interne de la cavité.
L’aube peut être une aube mobile en particulier pour une turbine haute pression.
Au moins un des premiers trous peut former un angle avec une surface du rayon du bossage compris entre 60° et 120° dans le plan transversal, en particulier égal à 90°. Ledit angle peut être formé entre la surface interne au niveau du bossage et ledit premier trou.
Selon un mode de réalisation, pour au moins un des premiers trous, le bossage peut être réalisé lors du moulage de l’aube.
Par exemple, une empreinte les bossages et les perturbateurs de flux peuvent être réalisée en négatif sur des noyaux en céramiques, après injection ou fabrication additive. Lors du moulage de l’aube, les noyaux en céramiques peuvent former les bossages et les perturbateurs de flux.
L’aube peut être fabriquée par fonderie et le surplus de matière du bossage peut être ajouté directement sur une pièce brute de fonderie lors de la fabrication de l’aube.
L’aube peut présenter un bord d'attaque et un bord de fuite reliés par une face latérale intrados et une face latérale extrados, lesdits premiers trous étant agencés dans la face latérale intrados et/ou la face latérale extrados. Chaque premier trou peut déboucher dans une cavité formé dans la face latérale intrados et/ou la face latérale extrados.
Le présent exposé concerne aussi une turbine haute pression comprenant une aube telle que précitée.
Le présent exposé concerne aussi une turbomachine comprenant une turbine telle que précitée ou une aube telle que précitée.
Brève description des figures
la figure 1 déjà décrite représente une vue en coupe d’une aube selon l’art antérieur.
la figure 2 déjà décrite représente une vue en perspective d’une représentation schématique d’une aube selon l’art antérieur.
la figure 3 représente une vue selon une coupe transversale d’un exemple d’aube.
la figure 4 représente une vue en perspective d’un bossage de l’exemple d’aube de la figure 3.
Description détaillée de l’invention
La figure 3 représente une partie d’un circuit de refroidissement agencé dans une aube 100, par exemple similaire ou identique à l’aube 10 de la figure 2. Le circuit de refroidissement est configuré notamment pour assurer le refroidissement de l’aube 100, notamment par un film d’air froid (« film cooling » en anglais). Le circuit de refroidissement comprend une pluralité de trous 116. Le circuit de refroidissement peut être agencé en outre pour assurer le refroidissement de l’aube 100 par phénomène de « pompage », i.e. échange de calories sur l’épaisseur des trous 116.
Le circuit de refroidissement comprend un premier trou 200 parmi les trous 116 représenté selon une coupe dans un plan transversal de l’aube incliné par rapport à l’axe longitudinal X-X de la turbine soit l’axe de rotation de l’aube 100. Le plan transversal comprend l’axe de révolution du trou 200. Les axes de révolution des premiers trous 200 peuvent être orientés différemment le long de l’aube 100 les uns par rapport aux autres, en particulier chaque premier trou 200, soit chaque axe de révolution d’un premier trou 200, est orienté selon un ligne de courant de l’aube 100 variant suivant la position sur ladite aube 100. Chaque premier trou 200 traverse en partie la face extrados 114 ou la face intrados 112 de l’aube 110. Le premier trou 200 débouche à une première extrémité 202 sur une surface externe 204 de l’aube 100 soit celle de la face extrados 114 ou la face intrados 112. Le premier trou 200 débouche à une seconde extrémité 206 sur une surface interne 208 de l’aube 100 soit au niveau d’une cavité de la face extrados 114 ou de la face intrados 112.
Chaque premier trou 200 présente une première partie 210 ayant un diamètre qui s’élargit en direction de la surface externe 204 et une seconde partie 212 ayant un diamètre constant agencée du côté de la surface interne 208.
Chaque premier trou 200 comprend en outre un bossage 214 s’étendant dans le plan transversal entre la seconde extrémité 206 et la première extrémité 202. Le bossage 214 correspond à un surplus de matière rajouté à l’aube 100 lors de sa fabrication par exemple lors de son moulage par fonderie.
Le bossage 214 permet d’augmenter la distance 216 entre la surface interne 208 et la première partie 210, en particulier la jonction entre la première partie 210 et la seconde partie 212, ce qui a pour effet d’augmenter l’épaisseur résiduelle du premier trou 200.
Le bossage 214 permet en outre d’augmenter l’angle α dans le plan transversal entre le premier trou 200 et la surface interne 208, en particulier avec le rayon du bossage 214 soit la surface de la pente du bossage 214, ce qui a pour effet de réduit les angles aigus dans l’aube 100.
Ainsi, les contraintes thermomécaniques dans l’aube 100 sont réduites.
Par exemple, l’angle α peut être compris entre 60° et 120°, en particulier égal à 90°.
Par exemple, la hauteur 218 du bossage 214 peut être inférieure ou égale à 0.5 mm.
Selon un mode de réalisation, la hauteur 218 du bossage 214 peut être inférieure à la hauteur des perturbateurs de flux agencés dans la surface interne 208. Selon un autre mode de réalisation, le bossage 214 peut former un perturbateur de flux.
Par exemple, le rayon 220 du bossage 214 peut être supérieur à 0.2 mm, en particulier supérieur à 0.5 mm. Ce rayon 220 peut être formé lors du moulage de l’aube 100.
La figure 4 représente une vue de face de la surface interne 208 comprenant un exemple de bossage 214. Le bossage 214 s’étend en outre de part et d’autre de la seconde extrémité 206 dans la surface interne 208. Le bossage 214 peut présenter d’autres formes géométriques en fonction de la forme de l’aube 100 et de la surface interne 208.

Claims (10)

  1. Aube (100) de turbine d’axe longitudinal (X) comprenant :
    un circuit interne de circulation d’air de refroidissement comportant au moins un premier trou (200) débouchant à une première extrémité (202) au niveau d’une surface externe (204) de l’aube (100) et à une seconde extrémité (206) opposée au niveau d’une surface interne (208) d’une cavité de l’aube, chaque premier trou (200) s’étendant dans un plan transversal incliné par rapport à une normale à la surface interne (208) au niveau de la seconde extrémité (206), chaque premier trou (200) comprenant en outre une partie évasée (210) du côté de la première extrémité (202), et
    dans lequel la surface interne (208) de la cavité comprend un bossage (214) s’étendant dans ledit plan transversal entre la première extrémité (202) et la seconde extrémité (206) d’au moins un des premiers trous (200).
  2. Aube (100) selon la revendication 1, dans laquelle le diamètre de l’au moins un des premiers trous (200) au niveau de la première extrémité (202) est supérieur au diamètre dudit premier trou (200) au niveau de la seconde extrémité (206).
  3. Aube (100) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle, pour au moins un des premiers trous (200), le rayon du bossage (214) est supérieur à 0.2 mm en particulier supérieur à 0.5 mm.
  4. Aube (100) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant en outre une pluralité de perturbateurs de flux de refroidissement agencés dans la cavité de ladite aube (100) et dans laquelle, pour au moins un des premiers trous (200), la hauteur (218) du bossage (214) est inférieure ou égale à la hauteur des perturbateurs de flux de refroidissement.
  5. Aube (100) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle pour au moins un des premiers trous (200), le bossage (214) présente une épaisseur prédéterminée de sorte à former un perturbateur de flux de refroidissement.
  6. Aube (100) selon l’une des revendication 4 ou 5, dans laquelle au moins un perturbateur de flux de refroidissement est formé par une nervure agencée dans la cavité de l’aube (100).
  7. Aube (100) selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle l’aube (100) est une aube mobile en particulier pour une turbine haute pression.
  8. Aube (100) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle au moins un des premiers trous (200) forme un angle (α) avec une surface du rayon du bossage (214) compris entre 60° et 120° dans le plan transversal, en particulier égal à 90°.
  9. Turbine haute pression comprenant une aube (100) selon l’une des revendications précédentes.
  10. Turbomachine comprenant une turbine selon la revendication 9 ou une aube (100) selon l’une des revendications 1 à 8.
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