FR3121854A1 - Procédé de perçage d’un trou de refroidissement dans un composant d’une turbomachine - Google Patents

Procédé de perçage d’un trou de refroidissement dans un composant d’une turbomachine Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de perçage d’un trou de refroidissement dans un composant de turbomachine, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes :- détermination d’une localisation sur une surface externe du composant d’un trou à percer ;- détermination d’une inclinaison d’un axe du trou par rapport à une surface externe (2) du composant ;- détermination d’une géométrie d’une section (3) du trou au droit de la surface de perçage (2), en fonction de l’inclinaison déterminée et d’un coefficient de contrainte maximale admissible ;- perçage d’un trou selon l’inclinaison déterminée avec une section (3) au droit de la surface de perçage (2) selon la géométrie déterminée, le perçage étant effectué avec un outil de perçage présentant une section (51) comprenant une succession d’arcs définis comme des objets mathématiques indépendants. Figure pour l’abrégé : Fig. 7

Description

Procédé de perçage d’un trou de refroidissement dans un composant d’une turbomachine
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine du refroidissement des aubages de turbine haute pression d’une turbomachine (HP)
ETAT DE LA TECHNIQUE
D’une manière connue, dans une turbomachine, les aubes sont refroidies et des perçages sont réalisés afin d’évacuer l’air du circuit interne. L’éjection de cet air est maitrisée au travers de l’inclinaison et de la section des perçages.
Traditionnellement, les perçages sont réalisés par un procédé d’électroérosion (abrégé traditionnellement en EDM pour « Electrical Discharge Machining ») à l’aide d’électrodes cylindriques (les sections des électrodes sont circulaires). Lors du « perçage » EDM, le mouvement de l’électrode est rectiligne selon la direction indiquée par la ligne pointillée sur la .
Afin d’orienter l’éjection de l’air dans le sens des gaz de combustion, l’axe de ces trous est incliné selon un premier angle α (par rapport à la surface de la pale) et un second angle (par rapport l’écoulement des gaz). Il en résulte que l’intersection entre le trou (cylindrique) et la surface de la pale (qu’on peut assimiler à un plan) est une ellipse dont le grand axe est orienté selon la direction de l’écoulement des gaz de combustion et le petit axe est orienté selon la direction de l’effort de traction dû au centrifuge. Cette configuration est mécaniquement défavorable car le petit rayon de courbure de l’ellipse se trouve ainsi exposé au flux d’effort de traction : le facteur de concentration de contrainte (Kt) est alors élevé à cet endroit.
L’angle α doit être le plus petit possible pour un refroidissement efficace du composant. Plus l’angle est faible :
- plus la paroi du composant est refroidie par « pompage » Thermique
- plus l’air sortant du trou va longer la paroi externe du composant et la refroidir par « film ».
Mais, comme cela est schématisé sur la , plus l’angle α diminue, plus le petit rayon de l’ellipse (résultant de l’intersection du trou et de la surface) diminue et plus le facteur de concentration de contrainte augmente : le niveau de contrainte dans les trous est aujourd’hui un des principaux critères qui limite l’inclinaison des perçages et donc la situation aérothermique de l’aubage.
Les figures 5 et 6 permettent de visualiser la corrélation entre l’inclinaison d’une électrode cylindrique (ou de section circulaire) et le coefficient de concentration de contrainte (appelé Kt).
Dans ce contexte, afin de pouvoir augmenter l’inclinaison des trous (pour garantir un refroidissement efficace), il est nécessaire de baisser le niveau de contrainte locale au bord des perçages.
La présente invention a donc pour objectif de permettre de réaliser des perçages présentant une inclinaison garantissant un refroidissement efficace, tout en minimisant les contraintes locales au bord du perçage.
Selon un premier aspect, l’invention propose un procédé de perçage d’un trou de refroidissement dans un composant de turbomachine, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes :
- détermination d’une localisation sur une surface externe du composant d’un trou à percer ;
- détermination d’une inclinaison d’un axe du trou par rapport à une surface externe du composant ;
- détermination d’une géométrie d’une section du trou au droit de la surface de perçage, en fonction de l’inclinaison déterminée et d’un coefficient de contrainte maximale admissible ;
- perçage d’un trou selon l’inclinaison déterminée avec une section au droit de la surface de perçage selon la géométrie déterminée, le perçage étant effectué avec un outil de perçage présentant une section comprenant une succession d’arcs définis comme des objets mathématiques indépendants.
Au moins deux des arcs peuvent présenter chacun un rayon distinct.
Au moins l’un des arcs peut être un arc de cercle.
Au moins l’un des arcs peut être un arc d’ellipse.
Au moins l’un des arcs peut être un arc de Spline.
Le procédé peut comprendre une étape de réalisation d’un alésage autour du trou de refroidissement, dans la surface externe du composant.
L’inclinaison déterminée de l’axe du trou par rapport à la surface externe peut être comprise entre 20 degrés et 90 degrés.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un composant présentant au moins un perçage réalisé selon un procédé selon l’invention.
Selon un autre aspect, l’invention concerne une turbomachine comprenant au moins un composant selon l’invention.
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 du dessin annexé sur lequel :
La est une représentation schématique d’un procédé de perçage de l’art antérieur.
La est une représentation schématique d’une vue selon A de la .
La est représentation schématique d’une vue selon B (en coupe C-C) de la .
La est une représentation schématique comparative de l’inclinaison du perçage selon un procédé de l’art antérieur.
La est une représentation schématique comparative de la géométrie en fonction de l’inclinaison du perçage, selon un procédé de l’art antérieur.
La est un graphique illustrant l’évolution du coefficient de concentration de contrainte au bord du perçage en fonction de l’inclinaison du perçage dans le cadre d’un procédé de perçage selon l’art antérieur.
La est une représentation schématique de la section d’une électrode selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique de la section d’une électrode selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique de la section d’une électrode selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
La est un graphique illustrant l’évolution du coefficient de concentration de contrainte au bord du perçage en fonction de l’inclinaison du perçage dans le cadre d’un procédé de perçage selon l’invention pour différentes broches de section elliptique.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Procédé de perçage
Selon un premier aspect, l’invention propose un procédé de perçage d’un trou de refroidissement dans un composant d’une turbomachine.
Le procédé comprend au moins les étapes suivantes :
- détermination d’une localisation sur une surface externe du composant d’un trou à percer ;
- détermination d’une inclinaison d’un axe du trou par rapport à une surface externe 2 du composant ;
- détermination d’une géométrie d’une section 3 du trou au droit de la surface externe 2, en fonction de l’inclinaison déterminée et d’un coefficient de contrainte maximale admissible ;
- perçage d’un trou selon l’inclinaison déterminée avec une section 3 au droit de la surface externe 2 selon la géométrie déterminée, le perçage étant effectué avec une électrode d’électroérosion présentant une section 51 comprenant une succession d’arcs définis comme des objets mathématiques indépendants.
Ainsi, l’invention propose un procédé, dans lequel la géométrie (i.e. la section 3) du perçage dans la surface externe 2 est un paramètre déterminé et choisi pour combiner une inclinaison déterminée avec un minimum de concentrations de contraintes au niveau de la section du perçage dans la surface externe 2. En d’autres termes, la géométrie de la section 3 du perçage n’est plus un élément imposé et subi – comme c’est le cas dans les procédés connus – mais est un paramètre modifiable et adapté pour obtenir une combinaison optimale entre inclinaison du perçage et concentration de contraintes minimale.
Le procédé selon l’invention permet donc de réaliser des perçages présentant une inclinaison garantissant un refroidissement efficace, tout en minimisant les contraintes locales au bord du perçage.
Comme indiqué précédemment, le perçage est préférentiellement réalisé avec une électrode 5 selon une méthode d’électroérosion (cependant, le perçage pourrait aussi être réalisé selon d’autres méthodes). Selon cette disposition, le perçage est alors effectué en faisant passer un courant dans un diélectrique, afin de générer une « bulle » de vapeur ou de vide qui s'ionise et se résorbe en implosant, entraînant la destruction de la matière. Cette destruction (micro-implosion) provoque l'étincelle. Le courant de forte intensité ionise un canal à travers le diélectrique. Une décharge disruptive se produit alors, de l'électrode vers la pièce à usiner, détériorant celle-ci localement (quelque µm²). Le diélectrique refroidit alors les particules détériorées, qui tombent dans le bac de la machine sous forme d'une boue (micro particules de matière et diélectrique).
D’une manière particulièrement avantageuse, l’électrode présente une section 51 comprenant une succession d’arcs définis comme des objets mathématiques indépendants, chacun représenté var un vecteur de paramètres. En d’autres termes, l’électrode 5 peut présenter une section 51 qui n’est pas un simple cylindre, mais une forme constituée d’une pluralité d’arcs distincts. Il s’agit là d’une disposition technique particulièrement intéressante de l’invention. En effet, la géométrie de l’électrode 5 – c’est-à-dire la section de l’électrode 5 - est déterminée en fonction de la géométrie désirée pour la section du perçage au droit de la surface externe 2. En d’autres termes, comme expliqué précédemment, l’un des problèmes de l’art antérieur est qu’en utilisant une électrode 5 de section circulaire, lors d’un perçage incliné d’un angle α par rapport à la surface externe 2, la section 51 de l’électrode 5 qui définit la géométrie de la section 3 du perçage est elle aussi inclinée selon un angle correspondant. Comme indiqué précédemment, dans le cas d’un perçage avec une électrode 5 de section circulaire, la géométrie de la section 3 du perçage dans la surface externe 2 devient une ellipse. La détermination de la section 51 de l’électrode 5 permet d’avoir une section 51 spécifiquement adaptée pour un perçage incliné selon un angle α. En d’autres termes, il ne s’agit plus de réaliser un perçage incliné d’un angle α avec une électrode 5 conçue pour un perçage normal à la surface externe 2. Mais, connaissant l’inclinaison α du perçage, et connaissant un coefficient de concentration de contrainte admissible, il est alors possible de concevoir une électrode 5 ayant une section spécifiquement adaptée au perçage à réaliser.
L’invention propose donc que ce ne soit plus l’outil qui impose la contrainte, mais que ce soient des contraintes choisies qui imposent l’outil.
Préférentiellement, les perçages peuvent être réalisés avec une inclinaison α comprise entre 20 et 90 degrés.
D’une manière particulièrement avantageuse, en condition d’utilisation, les perçages peuvent comprendre une inclinaison comprise entre -45° et +45° par rapport à une direction d’écoulement d’un flux gazeux.
Comme indiqué précédemment, l’électrode présente une section 51 comprenant une succession d’arcs définis comme des objets mathématiques indépendants.
Naturellement, la courbe formée par les différents arcs est au moins C0, c’est-à-dire continue (les coordonnées de la fin d’un arc coïncident avec les coordonnées du début de l’arc suivant), et préférentiellement au moins C1, c’est-à-dire de dérivée continue (la tangente en la fin d’un arc coïncide avec la tangente en le début de l’arc suivant).
Selon une disposition particulière, l’un des arcs, voire chaque arc, peut être un arc de cercle, tel que cela est représenté sur la .
De manière préférée, au moins deux des arcs de cercle présentent chacun un rayon distinct. En d’autres termes, selon cette disposition l’électrode 5 peut par exemple présenter une section 51 ovoïde. En référence à la , un premier arc peut présenter un premier rayon R1 et un deuxième arc peut présenter un deuxième rayon R2. D’une manière préférentielle, selon ce mode de réalisation, le ratio R1/R2 est préférentiellement compris entre 0,3 et 1, pour avoir un coefficient de concentration de contraintes Kt optimal. Dans un cas où la section 51 comprend une succession de k arcs de cercles, chaque arc i (pour i allant de 1 à k) peut être défini par un rayon et/ou une étendue angulaire et/ou les coordonnées du centre, i.e. jusqu’à quatre paramètres. Tout ou partie de ces paramètres peuvent êtres fixes, par exemple l’étendue angulaire égale à 360/k degrés (ce qui est le cas de la : étendue angulaire de 90°). A noter que les contraintes de continuité font qu’en pratique un certain nombre de ces paramètres sont liés, et en pratique chaque arc de cercle peut être défini uniquement par son rayon si l’on impose une continuité C1 et des étendues angulaires constantes.
Selon une disposition particulière, au moins l’un des arcs, voire chaque arc, peut être un arc d’ellipse, tel que cela est représenté sur la . D’une manière préférentielle, selon cette disposition, l’ellipse présente un grand diamètre a et un petit diamètre b. L’intersection du grand diamètre a et du petit diamètre b ne se fait pas au milieu du petit diamètre. Ainsi, le petit diamètre b se divise en deux portions inégales b1 et b2. Préférentiellement, le ratio b1/b2 est compris entre 0,3 et 1, pour avoir un coefficient de concentration de contraintes Kt optimal.
Il est précisé que les notions de petit diamètre et grand diamètre d’une ellipse sont comparative l’une par rapport à l’autre. En d’autres termes, pour une ellipse donnée, le grand diamètre est plus grand que le petit diamètre.
Dans un cas où la section 51 comprend une succession de k arcs d’ellipses, chaque arc i (pour i allant de 1 à k) peut être défini par un petit diamètre et/ou un grand diamètre (voire un ratio a/b du petit diamètre de l’ellipse divisé par son grand diamètre) et/ou une étendue angulaire et/ou les coordonnées du centre. A nouveau, tout ou partie de ces paramètres peuvent à nouveau êtres fixes, par exemple l’étendue angulaire égale à 360/k degrés et/ou un même centre (ce qui est le cas de la : étendue angulaire de 180° et même centre). A noter que les contraintes de continuité font qu’en pratique un certain nombre de ces paramètres sont liés, et en pratique chaque arc d’ellipse peut être défini uniquement par son ratio a/b si l’on impose une continuité C1, des étendues angulaires constantes et un même centre.
La illustre l’évolution du coefficient de concentration de contrainte au bord du perçage en fonction de l’inclinaison du perçage dans le cadre d’un procédé de perçage selon l’invention pour différentes broches 5 de section 51 elliptique (i.e. un unique arc qui est un arc d’ellipse). Le graphique fait référence au coefficient a/b qui correspond au ratio du plus petit diamètre de l’ellipse divisé par son plus grand diamètre. Lorsque a/b=1, on est en présence d’un cercle. Plus le ratio diminue, plus l’écart entre le petit diamètre et le grand diamètre est important.
Le graphique de la permet ainsi d’observer qu’avec une électrode 5 de section 51 circulaire on aura le coefficient de concentration de contrainte le plus élevé, quelque soit l’angle, par rapport à une électrode 5 de section 51 elliptique.
Il ressort aussi de ce graphique que plus le décalage de longueur entre le petit diamètre et le grand diamètre est important, plus le coefficient de concentration de contrainte est faible, quelle que soit l’inclinaison du perçage.
Selon une disposition particulière, au moins l’un des arcs, voire chaque arc, est un arc de Spline, c’est-à-dire une courbe définie par un polynôme, tel que cela est représenté sur la . Chaque arc est alors défini par le vecteur des coefficients du polynôme. Ainsi, dans l’exemple de la , la section 51 est constituée de 4 Splines s’appuyant sur des congés de Grodzinsky, avec préférentiellement 0.3 < b1/b2 < 1 (b1 et b2 étant les 2 petites longueurs des triangles de Grodzinsky), pour avoir un coefficient de concentration de contraintes Kt optimal.
Selon une disposition particulière, le procédé peut comprendre une étape de réalisation d’un lamage autour du trou de refroidissement, dans la surface externe 2 du composant.
Aube et turbomachine
Selon un autre aspect, l’invention concerne un composant présentant au moins un perçage réalisé selon un procédé selon l’invention.
Selon un autre aspect, l’invention concerne une turbomachine comprenant au moins un composant selon l’invention.

Claims (9)

  1. Procédé de perçage d’un trou de refroidissement dans un composant de turbomachine, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes :
    - détermination d’une localisation sur une surface externe du composant d’un trou à percer ;
    - détermination d’une inclinaison d’un axe du trou par rapport à une surface externe (2) du composant ;
    - détermination d’une géométrie d’une section (3) du trou au droit de la surface de perçage (2), en fonction de l’inclinaison déterminée et d’un coefficient de contrainte maximale admissible ;
    - perçage d’un trou selon l’inclinaison déterminée avec une section (3) au droit de la surface de perçage (2) selon la géométrie déterminée, le perçage étant effectué avec un outil de perçage présentant une section (51) comprenant une succession d’arcs définis comme des objets mathématiques indépendants.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel au moins deux des arcs présentent chacun un rayon distinct.
  3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins l’un des arcs est un arc de cercle.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins l’un des arcs est un arc d’ellipse.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins l’un des arcs est un arc de Spline
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape de réalisation d’un alésage autour du trou de refroidissement, dans la surface externe (2) du composant.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’inclinaison déterminée de l’axe du trou par rapport à la surface externe (2) est comprise entre 20 degrés et 90 degrés.
  8. Composant présentant au moins un perçage réalisé selon un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.
  9. Turbomachine comprenant au moins un composant selon la revendication 8.
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