FR3112367A1 - Aubage de distributeur de turbomachine comprenant un systeme de refroidissement par impact de jets d’air - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un aubage (10) de distributeur d’une turbomachine, ledit aubage comprenant une aube (12) et un insert (14) logé dans l’aube et dans lequel sont formés des orifices (16), l’aube comprenant une face interne (40) en regard de l’insert, l’aubage étant caractérisé en ce qu’il comprend des parois protectrices (50) faisant saillie de l’un parmi la face interne (40) de l’aube (12) et l’insert (14) en direction de l’autre parmi la face interne de l’aube et l’insert, chaque paroi protectrice (50) étant agencée en amont d’un orifice (16) et comprenant une partie incurvée (52) vers un axe de sortie (C) de l’orifice. Figure pour l'abrégé : Figure 5
Description
La présente invention se rapporte au domaine général des turbomachines, et plus particulièrement au domaine des aubages de distributeur de turbine, notamment haute pression, d'un moteur à turbine à gaz.
La présente invention concerne un aubage de distributeur de turbomachine comprenant un système de refroidissement. La présente invention concerne également un distributeur comportant une pluralité de tels aubages et un procédé de fabrication d’un tel aubage.
Une turbomachine comporte typiquement une nacelle ou entrée d'air (plénum) qui forme une ouverture pour l'admission d'un flux déterminé d'air vers le moteur proprement dit. Généralement, la turbomachine comprend une ou plusieurs sections de compression de l'air admis dans le moteur (généralement une section basse pression et une section haute pression). L'air ainsi comprimé est admis dans la chambre de combustion et mélangé avec du carburant avant d'y être brûlé. Les gaz de combustion chauds issus de cette combustion sont ensuite détendus dans différents étages de turbine. Une première détente est faite dans un étage à haute pression immédiatement en aval de la chambre et qui reçoit les gaz à la température la plus élevée. Les gaz sont détendus à nouveau en étant guidés à travers les étages de turbine dits à basse pression.
Une turbine, haute pression ou basse pression, comporte classiquement un ou plusieurs étages, chacun étant constitué d'une rangée d'aubages de turbine fixes, aussi appelée distributeur, suivie d'une rangée d'aubages mobiles de turbine espacées circonférentiellement tout autour du disque de la turbine. Le distributeur dévie et accélère le flux de gaz issu de la chambre de combustion vers les aubages mobiles de turbine à un angle et une vitesse appropriés afin d'entraîner en rotation ces aubages mobiles et le disque de la turbine.
Les distributeurs des turbines haute pression de turbomachine, et par conséquent les aubages qui les constituent, sont des pièces exposées à de très fortes contraintes thermiques. Ils sont en effet placés à la sortie de la chambre de combustion et sont donc traversés par des gaz extrêmement chauds qui les soumettent à de très fortes sollicitations thermiques, les distributeurs et notamment les aubages nécessitent donc d'être refroidis.
Pour pouvoir assurer un refroidissement efficace d'un aubage de distributeur, il est souhaitable de disposer d'un dispositif de refroidissement qui soit thermiquement efficace pour permettre de dissiper une puissance thermique élevée par utilisation d'un débit d'air modéré.
Une des solutions les plus répandues actuellement consiste à utiliser un ou plusieurs inserts placés à l'intérieur des aubages de distributeur, les inserts sont des tôles multi-percées pour refroidir la face interne de l'aubage par des impacts d'air de refroidissement.
La face interne de l'aubage est ainsi refroidie par des impacts de jets et un phénomène de convection forcée entre l'insert et la face interne de l'aubage. Un des paramètres prépondérants dans l'efficacité de refroidissement de ces deux phénomènes est la valeur de la distance entre l'insert et la face interne de l'aubage, appelée entrefer, qui est de fait constante. L'entrefer doit être minimal si l'on souhaite maximiser la convection forcée, mais il ne doit pas être trop faible si l'on souhaite maximiser la hauteur d'impact des jets, correspondant à la distance entre la sortie d'un perçage et la paroi interne de l'aubage, afin d'optimiser l'efficacité des impacts de jets. Actuellement, l'entrefer étant constant, un compromis est fait sur sa valeur afin de ne pas dégrader trop fortement les impacts de jet au profit d'une convection forcée efficace.
En outre, les performances d'une turbomachine sont en partie liées au système de ventilation mis en place. En effet, tous les prélèvements d'air effectués pour refroidir les composants pénalisent le cycle thermodynamique de la turbomachine, dégradant la puissance et la consommation spécifique du moteur. Il est donc nécessaire de limiter au strict minimum nécessaire les prélèvements d'air. L'efficacité des systèmes de refroidissement utilisés est donc primordiale pour les performances du moteur et la durée de vie du composant concerné.
La illustre une structure classique d’aubage 10 de distributeur d’une turbomachine comprenant une aube 12 et un insert 14 logé dans l’aube dans lequel sont formés des orifices traversants 16. Les flèches AF représentent l’écoulement du flux d’air de refroidissement qui alimente l’insert 14 puis passe à travers les orifices 16 pour effectuer le refroidissement par impact de la paroi interne de l’aube 12. Les flèches F illustrent l’écoulement transverse des impacts amonts vers les impacts avals, formant ainsi la convection forcée.
Le document EP3 325 777 décrit un tel aubage de distributeur d’une turbomachine. La configuration particulière de l'aubage permet à la fois d'assurer un faible entrefer entre l'aube et l'insert, et donc de maintenir l'efficacité de la convection forcée, illustrée par les flèches FT, lors de l'évacuation de l'air après impact à travers les orifices traversants, tout en améliorant l'efficacité d'impact grâce à une hauteur d'impact accrue. Le refroidissement de l’aubage y est optimisé afin de limiter les quantités d’air frais utilisées.
Bien que ce type de refroidissement par impacts d'air est particulièrement efficace, l'utilisation d'un insert, qui forme une pièce rapportée, présente plusieurs inconvénients.
Le document WO 2019/186046 décrit une aube de distributeur dans laquelle l’insert issu de fabrication additive y est directement intégré. Ne pas rapporter l’insert permet une diminution des coûts de production, une compacité et une maîtrise de la distance entre l’insert et l’aube.
Néanmoins, cette solution peut se révéler délicate à mettre en œuvre sur des distributeurs monoblocs où la direction de fabrication est imposée.
En outre, dans les systèmes de refroidissement classiques par insert, les jets impactants avals sont cisaillés par l’écoulement transverse des impacts amonts diminuant ainsi l’efficacité d’impact. La est une simulation illustrant la perturbation des jets impactants par cisaillement. Telle qu’illustrée sur la figure, la cavité formée entre l’aube 12 et l’insert 14 est fermée à gauche. Plus on se déplace vers la droite, plus le débit de purge cumulé vient perturber l’écoulement des jets impactants sortant des orifices traversants 16. L’écoulement par l’orifice traversant le plus à gauche est représentatif d’un orifice traversant arrangé au niveau du bord d’attaque de l’aube.
De plus, le refroidissement des zones de la paroi à refroidir situées entre les zones impactées par les jets impactants sortant des orifices n’est pas maîtrisé.
Un objectif de l’invention est donc de pallier au moins partiellement aux inconvénients précités en optimisant le refroidissement des aubages de distributeurs tout en limitant les quantités d’air frais utilisées
À cet effet, l’invention concerne un aubage de distributeur d’une turbomachine, ledit aubage comprenant une aube et un insert logé dans l’aube et dans lequel sont formés des orifices, l’aube comprenant une face interne en regard de l’insert, l’aubage étant caractérisé en ce qu’il comprend des parois protectrices faisant saillie de l’un parmi la face interne de l’aube et l’insert en direction de l’autre parmi la face interne de l’aube et l’insert, chaque paroi protectrice étant agencée en amont d’un orifice et comprenant une partie incurvée vers un axe de sortie de l’orifice.
L’invention permet d’obtenir un refroidissement efficace au plus proche de la paroi en minimisant les pertes de charges. Ainsi, l’invention permet de diminuer le débit nécessaire au refroidissement des aubages et donc de limiter les prélèvements d'air pouvant être préjudiciables pour les performances du moteur.
En effet, les parois protectrices de forme incurvée sur la face interne de l’aube permettent avantageusement de protéger la zone d’impact des jets impactants issus des orifices des écoulements transverses dits « crossflow » épousant la forme de la zone circulaire d’impact et d’augmenter ainsi la surface d’échange à refroidir.
En outre, l’invention permet de maitriser les zones non impactées par l’ajout d’un canal ondulé augmentant ainsi la surface d’échange par rapport à un canal droit selon l’art antérieur.
L’aubage selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- l’aube comporte les parois protectrices faisant saillie de la face interne de l’aube en direction de l’insert ;
- chaque paroi protectrice s’étend vers un bord d’attaque de l’aube et présente une forme ondulée ;
- chaque paroi protectrice comprend une autre partie incurvée de concavité opposée à la partie incurvée vers l’axe de sortie de l’orifice, l’autre partie incurvée étant agencée entre le bord d’attaque de l’aube et la partie incurvée vers l’axe de sortie de l’orifice ;
- la face interne de l’aube et l’insert sont séparés par un entrefer, chaque paroi protectrice s’étendant en direction de l’insert sur une distance d’au moins 75 % de l’entrefer, et de préférence au moins 90 % de l’entrefer.
- la partie incurvée vers l’axe de sortie de l’orifice de chaque paroi protectrice a un rayon supérieur ou égal à au moins 4 fois le rayon de l’orifice de l’insert ;
- l’aubage s’étend longitudinalement selon une première direction, les orifices de l’insert sont arrangés en matrice comprenant des rangées s’étendant selon une deuxième direction perpendiculaire à la première direction, deux orifices consécutifs d’une même rangée étant décalés l’un par rapport à l’autre selon la première direction ;
- l’insert et l’aube sont réalisés en un même matériau et en ce qu'il existe une continuité de matière entre eux.
La présente invention concerne également un distributeur d'une turbomachine comprenant une plateforme annulaire interne et une plateforme annulaire externe coaxiales autour d'un axe X du distributeur, le distributeur comprenant une série d'aubages de distributeur tels que décrits précédemment et répartis circonférentiellement autour de l'axe X entre la plateforme interne et la plateforme externe.
Un autre objet de l’invention concerne un procédé de fabrication d'un aubage de distributeur tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que les parois protectrices sont réalisées par fabrication additive, notamment par fusion laser sur lit de poudre métallique.
De préférence, l’insert et l’aube sont réalisés en un seul tenant par fabrication additive.
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
Sur les différentes figures, les éléments analogues sont désignés par des références identiques. En outre, les différents éléments ne sont pas nécessairement représentés à l’échelle afin de présenter une vue permettant de faciliter la compréhension de l’invention.
La présente invention concerne un aubage de distributeur d’une turbomachine. Tel qu’illustré sur la , un aubage 10 de distributeur comprend une aube 12 comportant une paroi d'intrados 18 et une paroi d'extrados 20 reliées entre elles par un bord d'attaque 22 et un bord de fuite 24. Le bord d'attaque 22 d'une aube 12 correspond à la partie antérieure de son profil aérodynamique. Il fait face au flux de gaz G et le divise en un écoulement d'air intrados qui longe la paroi d'intrados 18 et en un écoulement d'air extrados qui longe la paroi d'extrados 20. Le bord de fuite 24 quant à lui correspond à la partie postérieure du profil aérodynamique, où se rejoignent les écoulements intrados et extrados.
En outre, chaque aubage 10 comprend en outre un insert 14 agencé à l’intérieur de l'aube 12 entre la paroi d'intrados 18 et la paroi d'extrados 20. L'insert 14 comprend une paroi fermée 30 présentant une surface externe 32 s'étendant en regard de la paroi d'intrados 18 et de la paroi d'extrados 20 et une surface interne 34, opposée à la surface externe 32.
La surface externe 34 de la paroi fermée 30 et une face interne 40 de l’aube 12 s'étendant en regard de l’insert 14 sont séparées par un entrefer E.
L’insert 14 comporte en outre une série d'orifices traversants 16, formés dans la paroi fermée 30 entre la surface externe 32 et la surface interne 34.
Les orifices 16 sont de préférence circulaires de diamètre D et d’axe C de sortie des jets impactants 42 qui forment chacun une zone impactée 44 sur la face interne 40 de la paroi de l’aube à refroidir.
Selon l’invention, l’aube 12 comporte en outre des parois protectrices 50 faisant saillie de la face interne 40 en direction de l’insert 14. Ces parois protectrices sont agencées pour protéger les jets impactants de tout écoulement transverse et ainsi augmenter la surface des zones impactées et par conséquent la surface d’échange à refroidir.
De préférence, chaque paroi protectrice 50 s’étend en direction de l’insert 14 sur une distance d’au moins 75 % de l’entrefer E, et de préférence au moins 90 % de l’entrefer E.
Les figures 4 et 5 représentent schématiquement une vue agrandie de 2 jets impactants 42 sortant de deux orifices 16 consécutifs de l’insert ainsi que les deux parois protectrices associées à chacun des orifices, dans la la paroi fermée 30 de l’insert étant omise afin de mieux distinguer les parois protectrices.
Chaque paroi protectrice 50 est agencée en amont d’un orifice 16 et comprend au moins une première partie incurvée 52 vers l’axe de sortie C de l’orifice 16.
De préférence, chaque paroi protectrice 50 présente une forme ondulée. Notamment, chaque paroi protectrice 50 s’étend depuis la première partie incurvée 52 vers le bord d’attaque de l’aube et formant une deuxième partie incurvée 54 de concavité opposée à la première partie incurvée 52. La deuxième partie incurvée 54 est ainsi agencée en amont de la première partie incurvée 52, c’est-à-dire entre le bord d’attaque 22 de l’aube 12 et la première partie incurvée 52.
La première partie incurvée 52 des parois protectrices 50 est conformée pour épouser la zone impactée 44. Ainsi, la première partie incurvée 52 vers l’axe de sortie de l’orifice de chaque paroi protectrice 50 a avantageusement un rayon de courbure supérieur ou égal à au moins 4 fois le rayon R de l’orifice de l’insert.
Un tel agencement des parois protectrices permet en outre de créer un canal pour guider l’écoulement transverse et ainsi augmenter la surface d’échange à refroidir.
L’aubage s’étend longitudinalement selon une première direction Y perpendiculaire au plan de coupe de la . Les orifices 16 de l’insert sont arrangés en matrice comprenant des rangées s’étendant selon une deuxième direction Z perpendiculaire à la première direction Y. Avantageusement, les orifices traversants 16 sont arrangés de sorte que deux orifices consécutifs d’une même rangée Ri sont décalés l’un par rapport à l’autre selon la première direction Y tel que cela est davantage visible sur la illustrant une vue suivant la flèche A de la de la face interne 40 de l’aube 12.
En outre, deux parois protectrices 50 consécutives d’une même rangée Ri sont symétriques par rapport à la deuxième direction Z permettant ainsi de créer un canal ondulé pour guider l’écoulement transverse selon les flèches FO et ainsi d’augmenter la surface d’échange à refroidir.
Avantageusement, les cloisons protectrices 50 sont formées par fabrication additive, notamment par fusion laser sur lit de poudres métalliques, et réalisées en un seul tenant avec l’aube 12.
De plus, selon un mode de réalisation privilégié, l’insert 14 est intégré à l’aube 12 et issu également de fabrication additive, de même que les orifices traversants. Ainsi, l’aube et l’insert sont réalisés en un même matériau par continuité de matière entre eux.
La fabrication additive permet ainsi de diminuer les coûts de production, d’assurer une étanchéité du système de refroidissement, ainsi que de fournir une compacité à l’aubage et une maîtrise de la distance entre l’insert et l’aube.
Bien que la description de l’invention a été faite pour des parois protectrices faisant saillie de la face interne en direction de l’insert, dans un mode de réalisation alternatif, les parois protectrices peuvent faire saillie de l’insert en direction de la face interne de l’aube pour des inserts rapportés. Ce mode de réalisation permet d’assurer au moins partiellement la protection des zones impactées sur la face interne de l’aube et la formation du canal ondulé pour guider l’écoulement transverse sans remettre en cause la fabrication de l’aube, en particulier pour les distributeurs haute pression non sectorisés pour lesquels la fabrication de l’aube par fabrication additive est peu adaptée.
En référence à la , l’invention concerne également un distributeur 70 monobloc ou sectorisé comprenant une pluralité d'aubages 10 fixes tels que décrits précédemment disposées radialement par rapport à un axe X de rotation de la turbomachine reliant une plateforme annulaire radialement interne 72 et une plateforme annulaire radialement externe 74. L'ensemble forme une veine annulaire en regard des aubages mobiles de la turbine.
Claims (10)
- Aubage (10) de distributeur d’une turbomachine, ledit aubage comprenant une aube (12) et un insert (14) logé dans l’aube et dans lequel sont formés des orifices (16), l’aube comprenant une face interne (40) en regard de l’insert, l’aubage étant caractérisé en ce qu’il comprend des parois protectrices (50) faisant saillie de l’un parmi la face interne (40) de l’aube (12) et l’insert (14) en direction de l’autre parmi la face interne de l’aube et l’insert, chaque paroi protectrice (50) étant agencée en amont d’un orifice (16) et comprenant une partie incurvée (52) vers un axe de sortie (C) de l’orifice.
- Aubage selon la revendication 1, dans lequel l’aube (12) comporte les parois protectrices (50) faisant saillie de la face interne (40) de l’aube (12) en direction de l’insert (14).
- Aubage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque paroi protectrice (50) s’étend vers un bord d’attaque (22) de l’aube et présente une forme ondulée.
- Aubage selon la revendication 3, dans lequel chaque paroi protectrice (50) comprend une autre partie incurvée (54) de concavité opposée à la partie incurvée (52) vers l’axe de sortie de l’orifice, l’autre partie incurvée (54) étant agencée entre le bord d’attaque (22) de l’aube et la partie incurvée (52) vers l’axe de sortie de l’orifice.
- Aubage selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel la face interne (40) de l’aube (12) et l’insert (14) sont séparés par un entrefer (E), chaque paroi protectrice s’étendant en direction de l’insert sur une distance d’au moins 75 % de l’entrefer, et de préférence au moins 90 % de l’entrefer.
- Aubage selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la partie incurvée (52) vers l’axe de sortie de l’orifice de chaque paroi protectrice a un rayon supérieur ou égal à au moins 4 fois le rayon de l’orifice de l’insert.
- Aubage selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’aubage (10) s’étend longitudinalement selon une première direction (Y), les orifices (16) de l’insert sont arrangés en matrice comprenant des rangées (Ri) s’étendant selon une deuxième direction (Z) perpendiculaire à la première direction, deux orifices consécutifs d’une même rangée étant décalés l’un par rapport à l’autre selon la première direction.
- Aubage selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’insert (14) et l’aube (12) sont réalisés en un même matériau et en ce qu'il existe une continuité de matière entre eux.
- Distributeur (70) d'une turbomachine comprenant une plateforme annulaire interne et une plateforme annulaire externe coaxiales autour d'un axe (X) du distributeur, le distributeur étant caractérisé en ce qu'il comprend une série d'aubages de distributeur selon l'une des revendications 1 à 8 répartis circonférentiellement autour de l'axe (X) entre la plateforme interne (72) et la plateforme externe (74).
- Procédé de fabrication d'un aubage de distributeur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les parois protectrices sont réalisées par fabrication additive, notamment par fusion laser sur lit de poudre métallique.
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| FR3112367B1 (fr) | 2022-08-12 |
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