FR3116857A1 - composant de turbomachine comprenant une paroi pourvue de moyens de refroidissement - Google Patents

Abstract

Composant de turbomachine (1) comprenant :- une paroi pourvue d’une surface (2) de contour délimitant un espace externe (4), - un orifice (6) de refroidissement présentant une entrée et une sortie (8), la sortie (8) étant évasée et débouchant dans la surface (2), - un creux (12, 30, 32) formé dans la surface (2) et agencé par rapport à la sortie (8) , de sorte qu’une partie d’un flux d’air de refroidissement projeté dans l’espace externe (4) via la sortie (8) circule ensuite dans le creux (12, 30, 32),le composant de turbomachine (1) étant caractérisé en ce que la surface (2) définit en outre:- une première arête (20) délimitant d’une part la sortie (8) et délimitant d’autre part le creux (12, 30, 32),- une deuxième arête (22) délimitant le creux (12, 30, 32), la deuxième arête (22) étant opposée à la première arête par rapport au creux (12, 30, 32). Figure pour l’abrégé : Fig. 5

Description

composant de turbomachine comprenant une paroi pourvue de moyens de refroidissement

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention se rapporte au domaine du refroidissement, pour refroidir une paroi de composant de turbomachine.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Le refroidissement par film (« film cooling ») en anglais est un procédé permettant de refroidir une paroi d’un composant susceptible de chauffer fortement, typiquement en raison du fait que la surface d’une telle paroi délimite un espace dans laquelle circule un flux d’air chaud. Pour mettre en œuvre ce refroidissement, un orifice, appelé « shaped hole » dans la littérature, est formé dans le composant, cet orifice présentant une sortie débouchant dans la surface de la paroi. De l’air frais circulant dans cet orifice est projeté dans l’espace, et longe la surface en formant un film de façon à la refroidir et l’isoler de l’air chaud circulant par ailleurs dans l’espace.

Le refroidissement par film a été utilisé notamment pour refroidir une surface d’un composant de turbomachine.

Le document US20130209233 propose de former dans une telle surface à refroidir un creux, le creux étant agencé en aval de l’orifice décrit ci-dessus. Le creux est suivi d’un bossage courbe permettant d’exploiter l’effet Coanda, c’est-à-dire faire en sorte que l’air frais provenant de l’orifice reste plaqué sur la surface et longe cette surface de manière à améliorer l’efficacité de refroidissement du perçage.

Le document US 2016251967 propose également de former dans une surface à refroidir un creux, le creux étant agencé en aval de l’orifice. Le creux est séparé de l’orifice par un élément de séparation présentant un sommet plan. Cet élément présente une arête délimitant l’orifice, et une autre arête délimitant le creux, le sommet plan s’étendant entre les deux arêtes.

Or, les géométries proposées dans ces deux documents ne donnent pas entière satisfaction en terme de refroidissement.

Un but de l’invention est de refroidir une surface de composant à l’aide d’air frais de manière plus efficace.

Il est à cet effet proposé un composant de turbomachine comprenant :
- une paroi pourvue d’une surface de contour délimitant un espace externe,
- un orifice de refroidissement présentant une entrée et une sortie, la sortie étant évasée et débouchant dans la surface,
- un creux formé dans la surface et agencé par rapport à la sortie , de sorte qu’une partie d’un flux d’air de refroidissement projeté dans l’espace externe via la sortie circule ensuite dans le creux,
le composant de turbomachine étant caractérisé en ce que la surface définit en outre:
- une première arête délimitant d’une part la sortie et délimitant d’autre part le creux,
- une deuxième arête délimitant le creux, la deuxième arête étant opposée à la première arête par rapport au creux.

Les inventeurs ont constaté que la combinaison de la première arête et de la deuxième arête permet au creux d’agir sur la mise en place de l’écoulement au plus tôt en sortie de la forme évasée de l’orifice et d’éloigner de la paroi des tourbillons contrarotatifs, qui sont néfastes pour l’efficacité de refroidissement, ce que ne permettent pas les géométries proposées dans les documents US20130209233 et US 2016251967. En conséquence, le flux d’air frais est mieux plaqué contre la surface de la paroi, et la paroi est ainsi plus efficacement refroidie.

Le composant proposé peut également comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou combinées entre elles lorsque cela est techniquement possible.

De préférence, le creux présente une forme adaptée pour que la partie du flux d’air recircule dans le creux dans un sens allant de la deuxième arête vers la première arête.

De préférence, le creux a une longueur mesurée comme une distance séparant la première arête de la deuxième arête, et une profondeur mesurée perpendiculairement à la longueur, la profondeur étant inférieure ou égale à la moitié de la longueur.

De préférence, le creux présente un profil en arc de cercle, oblong ou rectangulaire.

De préférence, le creux présente un profil formant un arc de cercle, a une longueur mesurée comme une distance séparant la première arête de la deuxième arête, et une profondeur mesurée perpendiculairement à la longueur, la profondeur étant inférieure ou égale au rayon du cercle.

De préférence, la surface définit deux arêtes latérales opposées et reliant chacune la première arête à la deuxième arête, de sorte que la première arête, la deuxième arête et les deux arêtes latérales forment ensemble un bord circonférentiel du creux ayant une forme convexe.

De préférence, la sortie présente deux bords latéraux alignés avec les arêtes latérales.

De préférence, l’orifice de refroidissement comprend une partie amont cylindrique et une partie aval évasée se terminant par la sortie.

Le composant peut faire partie d’une aube de turbine haute pression ou de distributeur, ou plus généralement faire partie d’un moteur pour aéronef.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

• La figure 1 est une vue en coupe partielle et schématique d’un composant selon un premier mode de réalisation.
• La figure 2 représente une première variante de réalisation d’un creux dans une surface.
• La figure 3 représente une deuxième variante de réalisation d’un creux dans une surface.
• La figure 4 est une vue de dessus d’un composant selon un mode de réalisation.
• La figure 5 est une vue de dessus d’un composant selon un mode de réalisation différent de celui de la figure 4.
• La figure 6 est une autre vue en coupe partielle et schématique du composant selon le premier mode de réalisation, montrant également comment s’écoule un flux d’air frais dans et à proximité de ce composant.
• La figure 7 est une vue en coupe partielle et schématique d’un composant selon un deuxième mode de réalisation.
• La figure 8 est une vue en coupe partielle et schématique d’un composant selon un troisième mode de réalisation.
• Les figures 9 et 10 sont des représentations schématiques en perspective d'exemples de réalisation du composant, qui consistent en des aubes fixes ou mobiles de turbomachine.

Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

En référence à la , un composant 1 comprend une paroi qui présente une surface 2 délimitant un espace 4.

La surface 2 s’étend dans une direction primaire.

Le composant 1 peut faire partie de n’importe quelle structure définissant un tel espace 4, dans laquelle de l’air chaud a vocation à s’écouler dans la direction primaire, cet air chaud étant par conséquent susceptible de chauffer la surface 2 et par extension le composant 1.

Le composant 1 trouve avantageusement – mais pas exclusivement - application dans un moteur d’aéronef (avion ou hélicoptère par exemple). Le moteur peut être tout type de turbomachine, turboréacteur ou turbopropulseur par exemple. Par exemple, lorsque le composant 1 est ou fait partie d’une aube de turbine haute pression, l’espace 4 est une veine en aval d’une chambre de combustion du moteur. En variante, le composant 1 est une paroi délimitant une telle chambre de combustion, auquel cas l’espace 4 est la chambre de combustion elle-même.

Le composant 1 définit un orifice 6 de refroidissement par film (ou « shaped hole » en anglais). L’orifice 6 a une entrée (non représentée sur les figures) et une sortie 8, la sortie 8 débouchant dans la surface 2.

L’orifice 6 est incliné par rapport à la surface 2, de telle sorte qu’un flux d’air traverse cet orifice 6 en suivant une direction secondaire inclinée par rapport à la direction primaire.

Le composant 1 présente en particulier une surface interne 10 qui délimite l’intérieur de l’orifice 6.

L’orifice 6 est un orifice de refroidissement par film destiné à permettre le refroidissement de la surface 2 à l’aide d’un flux d’air frais circulant à l’intérieur. Par air « frais », on entend un air qui est comparativement plus frais que l’air qui circule à l’intérieur de l’espace 4. L’orifice 6 est connu en lui-même. L’orifice 6 comprend une partie amont cylindrique et une partie aval évasée se terminal par la sortie 8. La partie amont peut présenter une section circulaire ou ovale par exemple. La partie aval joue un rôle de diffuseur pour un flux d’air frais qui la traverse vers la sortie 8.

La surface 2 définit par ailleurs un creux 12. Le creux 12 est agencé en aval de l’orifice 6, dans le sens où un flux d’air sortant de l’orifice 6 par sa sortie 8 est dirigé vers le creux 12, et une partie de ce flux circule à l’intérieur de ce creux 12.

La surface 2 comprend en particulier une portion amont 14, et une portion aval 16, et une portion de surface 2 concave, représenté par la surface 18, délimitant l’intérieur du creux 12.

La portion amont 14 et la portion aval 16 présentent un profil rectiligne ou courbe.

La portion de surface 2 concave, représenté par la surface 18, peut présenter un profil en arc de cercle. En conséquence, le creux 12 présente un profil circulaire.

D’une part, la première arête 20 délimite la sortie 8 de l’orifice 6. La première arête 20 délimite d’autre part le creux 12. Ainsi, c’est uniquement par la première arête 20 que le creux 12 est séparé de la sortie 8 de l’orifice 6. La première arête 20 relie la portion de surface 2 concave à la surface interne 10.

La surface 2 définit en outre une deuxième arête 22 qui délimite le creux 12, et qui est opposée à la première arête 20 par rapport au creux 12. La deuxième arête 22 relie la portion aval 16 à la portion de surface 2 concave.

La surface 2 définit en outre une troisième arête 24 délimitant la sortie, la troisième arête étant opposée à la première arête 20 par rapport la sortie 8.

La surface 2 définissant en section un profil général arrondi ou linéaire et dans lequel première arête 20, la deuxième arête 22 et la troisième arête 24 sont inclus. Ceci peut notamment résulter du fait que la surface 2 peut être une surface d’une plateforme plane ou d’une pale ayant localement un profil arrondi.

Soit D la distance qui sépare la première arête 20 de la deuxième arête 22. Cette distance est la longueur du creux 12, mesurée parallèlement à la direction d’écoulement primaire. Par ailleurs, soit e la profondeur du creux 12 mesurée perpendiculairement la longueur. De préférence, .

Sur lesfigures 2 et 3sont représentées deux variantes de réalisation de creux de profil en arc de cercle au sens où la portion de surface concave 12 a un profil en arc de cercle. Soit R le rayon de ce cercle. Ces creux peuvent être formés dans la surface 2 par enlèvement de matière de la zone de rencontre entre le composant et un cylindre de rayon R enfoncé dans celle-ci, alors et . Dans le mode de réalisation de la figure 2, . Dans le mode de réalisation de la figure 3, .

En référence à la , la surface 2 définit par ailleurs deux arêtes latérales 26, 28 opposées l’une à l’autre par rapport au creux 12. Chacune des arêtes latérales 26 délimite le creux 12, et relie la première arête 20 à la deuxième arête 22. En définitive, la première arête 20, la deuxième arête 22 et les deux arêtes latérales forment ensemble un bord circonférentiel du creux 12 fermé sur lui-même.

Ce bord circonférentiel présente une forme convexe. En conséquence, le bord circonférentiel est entièrement situé en aval de la sortie 8 de l’orifice 6 de refroidissement par film.

Les arêtes latérales 26, 28 forment deux congés respectifs. Autrement dit, les arêtes latérales 26, 28 sont courbes.

Dans le mode réalisation montré en , le creux 12 présente une largeur maximale supérieure à la largeur maximale de la sortie 8 (cette largeur étant mesurée perpendiculairement à la longueur et perpendiculairement à la profondeur du creux 12 discutées précédemment). Dans une variante représentée en , la sortie présente deux bords latéraux alignés avec les arêtes latérales. Autrement dit, le creux 12 présente une largeur maximale égale à la largeur maximale de la sortie 8.

En référence à la , un procédé de refroidissement par film de la surface 2 comprend les étapes suivantes.

On suppose qu’un flux d’air chaud circule dans l’espace 4 délimitée par la surface 2 du composant 1 dans la direction d’écoulement primaire. Par exemple, lorsque le composant 1 est une aube de turbine haute pression, le flux d’air chaud qui circule dans l’espace 4 provient d’une chambre de combustion.

Le flux d’air chaud s’écoule le long de la surface 2 dans la direction primaire. L’air chaud longe la portion amont 14, puis la sortie 8 de l’orifice 6 de refroidissement par film, puis la portion aval 16.

Pendant l’écoulement de l’air chaud dans l’espace 4, une source d’air frais injecte un flux d’air frais, ayant une fonction de refroidissement, dans l’entrée de l’orifice 6. Par air « frais », on entend un air qui est plus froid que l’air chaud qui circule à ce stade dans l’espace 4. Le flux d’air frais issu de l’orifice 6 pénètre dans l’espace 4 en passant par la sortie 8 de l’orifice 6. La forme évasée de l’orifice 6 favorise la diffusion du flux d’air frais dans l’espace 4. Le flux d’air frais forme une couche isolante qui limite la capacité du flux d’air chaud à atteindre la surface 2, ce qui permet de refroidir la surface 2 du composant 1.

Etant donnée l’inclinaison de l’orifice 6, le flux d’air frais est guidé vers le creux 12. Une partie de ce flux circule dans le creux 12.

La première arête 20 constitue une cassure vue par le flux d’air frais, ce qui modifie son écoulement, de telles sorte que différentes lignes de courant de ce flux ne suivent pas du tout la même trajectoire. Une partie du flux d’air frais pénètre dans le creux 12. Par ailleurs, la forme du creux 12 est telle que cette partie du flux d’air frais recircule à l’intérieur du creux 12 de l’aval vers l’amont, c’est-à-dire dans un sens allant de la deuxième arête 22 vers la première arête 20 (cette recirculation étant représentée sur la par une flèche recourbée). Cette recirculation est avantageuse, car permet de former une dépression dans le creux 12. Les inventeurs ont constaté que ce phénomène permet d’éloigner des tourbillons contrarotatifs d’air de la surface 2, et que cela a pour conséquence de plaquer plus efficacement le flux d’air frais sur la surface 2, au niveau de la portion aval 16. Au final, la surface 2 est plus efficacement refroidie.

Par ailleurs, la sortie 8 de l’orifice 6 et le creux 12 ne sont séparées que par la première arête 20, et sont donc de ce fait très proches l’une de l’autre. Ceci a pour effet :

• de ne faire pénétrer dans le creux 12 des lignes de courant du flux d’air frais en majorité afin de créer une zone de recirculation, elle-même à l’origine d’une dépression locale permettant de mieux plaquer l’écoulement refroidissant contre la surface 2 ; et
• d’agir au plus tôt sur la mise en place de l’écoulement afin que le refroidissement par « film cooling » soit efficace le plus tôt possible.

A contrario, l’élément de à deux arêtes suggérées dans le document 2016251967 ne permet pas d’obtenir ce phénomène physique, car le creux et perçage sont éloignés par une distance relativement importante.

Il est à noter que le phénomène physique tel que décrit ci-dessus n’est pas exclusivement obtenu à l’aide d’un creux 12 présentant un profil en arc de cercle, qui n’est qu’un mode de réalisation de creux envisageable parmi d’autres. Un deuxième mode de réalisation de creux, présentant un profil oblong est illustré en . Un troisième mode de réalisation de creux présentant un profil rectangulaire, est illustré en . Avec ces deux modes de réalisation, il est possible d’obtenir le phénomène physique tel que décrit ci-dessus, notamment une dépression locale dans les creux 30, 32.

Comme indiqué précédemment, le composant 1 peut-être ou faire partie d’une aube de turbine haute pression. Le composant 1 est par exemple une aube de turbine de turbomachine, que ce soit une aube mobile 56 destinée à être montée sur le rotor comme représenté à la ou une aube fixe 58 d'un distributeur de la turbine comme représenté à la .

L'aube mobile 56 comporte une portion appelée plateforme 62, qui permet de reconstituer une veine d'écoulement de gaz, et sur la plateforme 62 une pale 64, sur laquelle les gaz chauds exercent en fonctionnement leur action pour mettre en mouvement le rotor.

L'aube fixe 58 comporte une pale 64 et deux plateformes d'extrémité 60 délimitant la veine d'écoulement du flux de gaz au travers la turbine, qui sont reliées à chaque extrémité de la pale 64 et au carter de la turbomachine (non représentée).

La pale 64 est orientée principalement selon une direction radiale du rotor. Ici, la direction radiale correspond à la direction transversale T. La direction longitudinale L est une direction perpendiculaire à la direction transversale et qui est orientée selon la direction de l'écoulement de gaz par rapport à la pale 64.

Des orifices de refroidissement 6 sont aussi disposés sur les portions d'extrémité 60 de l'aube fixe 58 et sur la plateforme 62 de l'aube mobile 62.

Des orifices de refroidissement 6 sont répartis sur les parois d'intrados 66 et d'extrados de la pale 64. Certains orifices de refroidissement 6 sont agencés en formant des rangées 68 orientées sensiblement selon la direction radiale.

Ces rangées 68 sont décalées longitudinalement les unes par rapport aux autres.

Lorsque des rangées 68 sont disposées à proximité l'une de l'autre, c'est notamment le cas pour les rangées 68 situées à proximité du bord de fuite 70 et à proximité du bord d'attaque 72 de la pale 64, les orifices de refroidissement 6 d'une rangée 68 sont décalés radialement par rapport aux orifices de refroidissement 6 d'une rangée 68 qui lui est adjacente.

En d'autres termes, un orifice de refroidissement 6 d'une rangée 68 est situé selon la direction transversale T entre deux orifices de refroidissement 6 de l'autre rangée 68, à la manière d'un agencement en quinconce.

Cette disposition permet de ne pas avoir des orifices de refroidissement 6 alignés selon la direction longitudinale L.

Ce non-alignement des orifices de refroidissement 6 permet au flux d'air de refroidissement de couvrir transversalement une plus grande surface de la paroi de la pale 64, et ainsi améliore la protection et le refroidissement de la partie de la paroi de la pale 64, qui est située en aval de ces deux rangées 68.

Claims (10)

1. Composant de turbomachine (1) comprenant :
   - une paroi pourvue d’une surface (2) de contour délimitant un espace externe (4),
   - un orifice (6) de refroidissement présentant une entrée et une sortie (8), la sortie (8) étant évasée et débouchant dans la surface (2),
   - un creux (12, 30, 32) formé dans la surface (2) et agencé par rapport à la sortie (8) , de sorte qu’une partie d’un flux d’air de refroidissement projeté dans l’espace externe (4) via la sortie (8) circule ensuite dans le creux (12, 30, 32),
   le composant de turbomachine (1) étant caractérisé en ce que la surface (2) définit en outre:
   - une première arête (20) délimitant d’une part la sortie (8) et délimitant d’autre part le creux (12, 30, 32),
   - une deuxième arête (22) délimitant le creux (12, 30, 32), la deuxième arête (22) étant opposée à la première arête par rapport au creux (12, 30, 32).
2. Composant (1) selon la revendication précédente, dans lequel le creux (12, 30, 32) présente une forme adaptée pour que la partie du flux d’air recircule dans le creux dans un sens allant de la deuxième arête (22) vers la première arête (20).
3. Composant (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le creux (12, 30, 32) a une longueur mesurée comme une distance séparant la première arête (20) de la deuxième arête (22), et une profondeur mesurée perpendiculairement à la longueur, la profondeur étant inférieure ou égale à la moitié de la longueur.
4. Composant (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le creux (12, 30, 32) présente un profil en arc de cercle, oblong ou rectangulaire.
5. Composant (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le creux (12) présente un profil formant un arc de cercle, a une longueur mesurée comme une distance séparant la première arête (20) de la deuxième arête (22), et une profondeur mesurée perpendiculairement à la longueur, la profondeur étant inférieure ou égale au rayon du cercle.
6. Composant (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la surface (2) définit deux arêtes latérales (26, 28) opposées et reliant chacune la première arête (20) à la deuxième arête (22), de sorte que la première arête (20), la deuxième arête (22) et les deux arêtes latérales (26, 28) forment ensemble un bord circonférentiel du creux ayant une forme convexe.
7. Composant (1) selon la revendication précédente, dans lequel la sortie (8) présente deux bords latéraux alignés avec les arêtes latérales (26, 28).
8. Composant (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’orifice (6) de refroidissement comprend une partie amont cylindrique et une partie aval évasée se terminant par la sortie (8).
9. Aube de turbine haute pression ou de distributeur, l’aube comprenant un composant (1) selon l’une des revendications précédentes.
10. Moteur pour aéronef comprenant un composant (1) selon l’une des revendications 1 à 8.