FR3129429A1 - Secteur de distributeur de turbine pour une turbomachine d’aéronef - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un secteur de distributeur (40) de turbine pour une turbomachine d’aéronef, comportant un secteur de plateforme annulaire externe (52) et un secteur de plateforme annulaire interne (54), lesdits secteurs étant coaxiaux et étant reliés entre eux par au moins une pale (42), chaque pale (42) comportant une cavité centrale (60) s’étendant longitudinalement selon une première direction (R) logeant une chemise de refroidissement (72B ; 82B ;96, 98) de la pale, caractérisée en ce que la cavité centrale comporte une portion extrados (68) munie d’au moins un raidisseur (70 ;80 ;90). Figure pour l'abrégé : Figure 7

Description

SECTEUR DE DISTRIBUTEUR DE TURBINE POUR UNE TURBOMACHINE D’AÉRONEF
La présente invention concerne notamment un secteur de distributeur de turbine pour une turbomachine d’aéronef. En particulier, l’invention concerne un secteur de distributeur de turbine comportant des pales équipées d’un système de refroidissement.
Une turbomachine d’aéronef 10, telle qu’illustrée sur la , comprend, généralement, d'amont en aval, une soufflante 12 et plusieurs modules tels qu'un compresseur basse pression (BP) 14 suivi d'un compresseur haute pression (HP) 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20 suivie d'une turbine basse pression 22, qui entraînent le compresseur BP ou HP correspondant, et un système d'éjection des gaz 24. L'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz dans une veine d’écoulement (de l'amont vers l'aval).
Les corps haute et basse pression sont traversés par un flux d'air primaire "P" et la soufflante 12 produit un flux d'air secondaire "S" qui circule dans la turbomachine 10, entre un carter 11 et une enveloppe externe 13 du turboréacteur, dans un canal de flux froid 15. En sortie de la tuyère 24, les gaz issus du flux primaire "P" sont mélangés au flux secondaire "S" pour produire une force de propulsion, le flux secondaire "S" fournissant ici la majorité de la poussée.
En référence à la représentant une vue agrandie des turbines de la turbomachine de la , chacune des turbines 20, 22 d’une telle machine comprend typiquement un ou plusieurs étages comportant chacun une rangée annulaire, ou couronne 30, d'aubes ou d'aubages fixes portées par le carter 11 de la turbine et une rangée annulaire 32 d'aubes ou d'aubages montées rotatives autour d'un axe central de rotation. Les couronnes d’aubages fixes d’une turbine sont également appelées distributeurs 34. Un 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.
Dans le but de faciliter leur montage et de réduire leur coût de fabrication, les couronnes d’aubages fixes sont souvent réalisées sous la forme d'un assemblage de secteurs angulaires qui sont juxtaposés les uns à côté des autres jusqu'à former une couronne entière d’aubages fixes.
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 une ou plusieurs chemises ou inserts placées à l'intérieur des aubes de distributeur, les chemises sont des dispositifs de refroidissement formés à partir de tôles multi-percées pour refroidir la face interne de l'aube par des impacts d'air de refroidissement. La face interne de l'aube est ainsi refroidie par des impacts de jets et un phénomène de convection forcée entre l'insert et la face interne de l'aube. Les termes air de refroidissement ou air froid désignent de l’air dont la température est inférieure à la température du gaz circulant dans la veine d’écoulement de la turbomachine et permettant de baisser la température des éléments se situant dans la veine d’écoulement. Le document FR-A1-2 899 271 décrit un tel dispositif de refroidissement d’une aube.
Les aubes ou pales comprennent une paroi d'intrados et une paroi d'extrados reliées entre elles par un bord d'attaque dirigé vers l’amont et un bord de fuite dirigé vers l’aval.
Toutefois, de telles aubes des distributeurs haute pression présentent des surfaces fines de dimensions importantes, notamment sur une moitié de la paroi extrados et au niveau du bord de fuite. Celles-ci sont soumises à de fortes compression pouvant être à l’origine d’endommagement en flambage ou flambement. En effet, lorsqu'une structure est compressée dans le sens de la longueur, elle a tendance à fléchir perpendiculairement à l'axe de la force appliquée, en raison d'un phénomène d'instabilité élastique. Ainsi, ces zones se comportent comme des plaques subissant une déformation importante perpendiculairement à la direction de sollicitation. Ici, la direction de sollicitation est dans le plan de la plaque, la déformation résultante est alors hors plan. Cette déformation hors plan peut entrainer un gonflement du centre de la plaque, entouré de fissurations. Ces endommagements entrainent une ruine prématurée du secteur de distributeur concerné, qui doit alors être remplacé.
La représente un secteur 40 de distributeur haute pression ayant deux aubes 42 ou pales dont au moins une des pales 42 présente une zone de gonflement 44 de la paroi extrados de la pale 42.
En outre, un autre mode de flambage a été observé sur les pales d’un secteur de distributeur haute pression au niveau du bord de fuite. La illustre un tel phénomène subi dans une zone 46 du bord de fuite BF d’une des pales 42 d’un secteur 40 de distributeur haute pression. Le bord de fuite BF des pales d’un distributeur haute pression étant droit, il est assimilable à une plaque sollicitée en compression, rigidifiée sur ses trois bords (le quatrième étant libre dans la veine). Etant dans une zone très chaude, il est également soumis à des contraintes de dilatation. Le reste de l’aube 42, plus froide, empêche cette dilatation. En outre, le reste de l’aube étant plus massif, le bord de fuite BF reprend une grande partie des contraintes de dilatation jusqu’à un certain seuil au-delà duquel cette contrainte devient suffisante pour déformer le bord de fuite par flambage. Ainsi, lorsque le bord de fuite se retrouve en état de compression intense, il cherche à libérer l’énergie relative à la compression par déformation aboutissant à un état de déformation ultime irréversible.
Un objectif de la présente invention est de proposer une solution limitant le phénomène de flambage des distributeurs haute pression en paroi extrados et/ou au niveau du bord de fuite.
À cet effet, l’invention concerne un secteur de distributeur de turbine pour une turbomachine d’aéronef, comportant un secteur de plateforme annulaire externe et un secteur de plateforme annulaire interne), lesdits secteurs étant coaxiaux et étant reliés entre eux par au moins une pale, chaque pale comportant une cavité centrale s’étendant longitudinalement selon une première direction logeant une chemise de refroidissement de la pale. La cavité centrale comporte en outre une portion extrados munie d’au moins un raidisseur.
L’invention permet ainsi d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, l’invention permet de résoudre de manière simple le problème d’endommagement des distributeurs par flambage notamment de la paroi extrados des pales. En effet, le ou les raidisseurs permettent de rigidifier la zone de flambage de la paroi d’extrados dans les directions perpendiculaires à la sollicitation. Ils permettent ainsi à la pale de supporter davantage les efforts de compression liés au gradient de température important entre les pales chaudes (notamment le bord de fuite) et les plateformes plus froides (et les extrémités radialement interne et externe des pales) et aux déformations des plateformes à hautes températures sous l’effet de la déformation radiale de Carter où est assemblé le distributeur.
Ainsi, l’invention permet de d’améliorer la tenue des pales du secteur de distributeur aux contraintes thermomécaniques et mécaniques subies par les pales et les plateformes dudit distributeur.
Avantageusement, l’invention ne nécessite pas de modifier le profil aérodynamique des pales qui assure la performance de la pièce tout en renforçant la paroi extrados des pales notamment celles comportant un dispositif de refroidissement. Ainsi, l’efficacité du refroidissement qui impacte à la fois la performance du moteur et la tenue de la pièce par un maintien à une température acceptable est conservée.
Le secteur de distributeur 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 :
  • le centre géométrique du raidisseur ou de l’ensemble des raidisseurs est positionné sur la portion extrados à une position prédéterminée en fonction de contraintes thermomécaniques ;
  • la position prédéterminée est déterminée par calcul par éléments finis ;
  • le centre géométrique du raidisseur ou de l’ensemble des raidisseurs est positionné sur la portion extrados à une distance du secteur de plateforme annulaire interne comprise entre 50% et 100% de la longueur L de la pale selon la première direction R ;
  • le au moins un raidisseur présente une longueur selon la première direction comprise entre 75 % et 100 % de la longueur L de la pale ;
  • le ou chaque raidisseur présente une épaisseur, selon une deuxième direction normale N à la portion extrados de la cavité centrale de la pale, supérieure à un entrefer E défini entre la portion extrados de la cavité centrale et la chemise de refroidissement logeant dans la cavité ;
  • le ou chaque raidisseur présente une épaisseur selon une deuxième direction normale à la portion extrados de la cavité centrale de la pale supérieure à 100 % de l’épaisseur de la paroi de la portion extrados de la cavité centrale ;
  • la portion extrados de la cavité centrale comporte au moins un raidisseur radial s’étendant longitudinalement selon la première direction, et la chemise a une forme complémentaire de celle de la cavité centrale munie du ou des raidisseurs radiaux ;
  • le secteur de distributeur comporte un unique raidisseur radial s’étendant longitudinalement selon la première direction ;
  • le secteur de distributeur comporte une pluralité de raidisseurs, chacun s’étendant longitudinalement selon la première direction ;
  • le ou chaque raidisseur radial présente une longueur selon la première direction d’au moins 50 % de la longueur de la pale selon cette première direction ;
  • le ou chaque raidisseur radial comporte au moins un orifice traversant selon un axe parallèle à une troisième direction T perpendiculaire à la première direction R et s’étendant d’un bord d’attaque à un bord de fuite de la pale ;
  • la portion extrados de la cavité centrale comporte un premier raidisseur radial ayant une première épaisseur selon une deuxième direction normale à la portion extrados de la cavité centrale et une pluralité de raidisseurs radiaux ayant une deuxième épaisseur inférieure à la première épaisseur ;
  • la portion extrados de la cavité centrale comporte un raidisseur tangentiel s’étendant longitudinalement selon une troisième direction perpendiculaire à la première direction, le raidisseur séparant la cavité centrale entre une première cavité et une deuxième cavité radialement externe par rapport à la première cavité et en ce que la chemise comporte une première chemise logeant dans la première cavité et une deuxième chemise logeant dans la deuxième cavité ;
  • le secteur de distributeur comporte au plus deux pales, de préférence deux pales.
L’invention concerne également une couronne de distributeur de turbine pour une turbomachine d’aéronef, comportant au moins un secteur de distributeur selon l’invention et tel que décrit précédemment.
L’invention concerne également une turbine de turbomachine comportant au moins un secteur de distributeur selon l’invention et tel que décrit précédemment. De préférence, la turbine est une turbine haute pression.
L’invention concerne également une turbomachine comportant au moins un secteur de distributeur selon l’invention et tel que décrit précédemment ou une couronne de distributeur selon l’invention et telle que décrite précédemment ou une turbine selon l’invention et telle que décrite précédemment.
Un autre objet de l’invention concerne un procédé de fabrication d'un secteur de distributeur selon l’invention et tel que décrit précédemment, dans lequel le ou chaque raidisseur est réalisé par fabrication additive, notamment par fusion laser sur lit de poudre métallique.
Avantageusement, la chemise est également réalisée par fabrication additive, notamment par fusion laser sur lit de poudre métallique.
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 :
  • la , déjà décrite, est une vue en coupe axiale (ou longitudinale) d’une turbomachine à laquelle peut s’appliquer l’invention ;
  • la , déjà décrite, est une vue agrandie des turbines de la turbomachine de la ,
  • la , déjà décrite, illustre une pale d’un secteur de distributeur présentant une zone de gonflement de la paroi extrados ;
  • la , déjà décrite, illustre un autre mode de flambage au niveau du bord de fuite d’une pale d’un secteur de distributeur ;
  • la est une vue tridimensionnelle d’un secteur de distributeur d’une turbine auquel s’applique l’invention ;
  • la est une vue en coupe transverse d’une pale du secteur de distributeur de la ;
  • la est une vue en coupe transversale d’une pale d’un secteur de distributeur selon un premier mode de réalisation ;
  • la est une vue schématique simplifiée de face de la pale de la ;
  • la est une vue en coupe transversale d’une pale d’un secteur de distributeur selon un deuxième mode de réalisation ; et
  • la est une vue en coupe radiale d’une pale d’un secteur de distributeur selon un troisième mode de réalisation.
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures.

Claims (14)

  1. Secteur de distributeur (40) de turbine pour une turbomachine d’aéronef, comportant un secteur de plateforme annulaire externe (52) et un secteur de plateforme annulaire interne (54), lesdits secteurs étant coaxiaux et étant reliés entre eux par au moins une pale (42), chaque pale (42) comportant une cavité centrale (60) s’étendant longitudinalement selon une première direction (R) logeant une chemise de refroidissement (72B ; 82B ; 96, 98) de la pale, caractérisée en ce que la cavité centrale comporte une portion extrados (68) munie d’au moins un raidisseur (70 ;80 ;90).
  2. Secteur de distributeur selon la revendication 1, dans lequel le centre géométrique du raidisseur ou de l’ensemble des raidisseurs est positionné sur la portion extrados à une position prédéterminée en fonction de contraintes thermomécaniques.
  3. Secteur de distributeur selon la revendication 2, dans lequel le centre géométrique (G) du raidisseur ou de l’ensemble des raidisseurs est positionné sur la portion extrados à une distance du secteur de plateforme annulaire interne (54) comprise entre 50% et 100% de la longueur (L) de la pale (52) selon la première direction (R).
  4. Secteur de distributeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le au moins un raidisseur présente une longueur selon la première direction (R) comprise entre 75 % et 100 % de la longueur (L) de la pale (52).
  5. Secteur de distributeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ou chaque raidisseur (70 ;80 ;90) présente une épaisseur (e), selon une deuxième direction normale (N) à la portion extrados de la cavité centrale de la pale, supérieure à un entrefer (E) défini entre la portion extrados (68) de la cavité centrale (60) et la chemise de refroidissement (72B ; 82B ;96, 98) logeant dans la cavité.
  6. Secteur de distributeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ou chaque raidisseur (70 ;80 ;90) présente une épaisseur selon une deuxième direction normale (N) à la portion extrados de la cavité centrale de la pale supérieure à 100 % de l’épaisseur de la paroi de la portion extrados de la cavité centrale.
  7. Secteur de distributeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la portion extrados (68) de la cavité centrale comporte au moins un raidisseur radial (70 ;80) s’étendant longitudinalement selon la première direction (R), et la chemise (72B ; 82B) a une forme complémentaire de celle de la cavité centrale munie du ou des raidisseurs radiaux.
  8. Secteur de distributeur selon la revendication 7, dans lequel le ou chaque raidisseur radial (70 ;80) présente une longueur selon la première direction d’au moins 50 % de la longueur de la pale selon cette première direction.
  9. Secteur de distributeur selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le ou chaque raidisseur radial (70 ;80) comporte au moins un orifice traversant selon un axe parallèle à une troisième direction (T) perpendiculaire à la première direction (R) et s’étendant d’un bord d’attaque (BA) à un bord de fuite (BF) de la pale (42).
  10. Secteur de distributeur selon la revendication 9, dans lequel la portion extrados de la cavité centrale comporte un premier raidisseur radial (70) ayant une première épaisseur (e1) selon une deuxième direction (N) normale à la portion extrados de la cavité centrale et une pluralité de raidisseurs radiaux (80) ayant une deuxième épaisseur (e2) inférieure à la première épaisseur.
  11. Secteur de distributeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la portion extrados de la cavité centrale comporte un raidisseur tangentiel (90) s’étendant longitudinalement selon une troisième direction (T) perpendiculaire à la première direction, le raidisseur (90) séparant la cavité centrale entre une première cavité (92) et une deuxième cavité (94) radialement externe par rapport à la première cavité et en ce que la chemise comporte une première chemise logeant dans la première cavité (92) et une deuxième chemise (98) logeant dans la deuxième cavité (94).
  12. Couronne de distributeur (34) de turbine pour une turbomachine d’aéronef, caractérisée en ce qu’elle comporte au moins un secteur de distributeur selon l'une des revendications précédentes.
  13. Turbomachine d’aéronef (10) caractérisée en ce qu’elle comporte au moins une couronne de distributeur de turbine selon la revendication précédente.
  14. Procédé de fabrication d'un secteur de distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le ou chaque raidisseur est réalisé par fabrication additive, notamment par fusion laser sur lit de poudre métallique.
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