FR3130314A1 - Secteur de distributeur de turbine pour une turbomachine d’aéronef - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un secteur de distributeur (70 ; 90) de turbine pour une turbomachine d’aéronef, comportant deux secteurs coaxiaux de plateformes annulaires, l’un extérieur (52) et l’autre intérieur (54 ; 72 ; 92), lesdits secteurs étant reliés entre eux par au moins une pale (42) présentant une paroi d’extrados (58) raccordée à un des secteurs de plateformes par un raccordement (65, 75), caractérisé en ce qu’un des secteurs de plateformes comporte au moins une ligne de découpe (80) traversante agencée du côté extrados d’une pale (42), la ligne de découpe (80) comportant deux portions extrémales (82, 84) et une portion centrale (86) reliant les deux portions extrémales (82, 84). Figure pour l'abrégé : Figure 7
Description
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 deux secteurs coaxiaux de plateformes annulaires, l’un extérieur et l’autre intérieur, lesdits secteurs étant reliés entre eux par au moins une pale présentant une paroi d’extrados raccordée à un des secteurs de plateformes par un raccordement, caractérisé en ce qu’un des secteurs de plateformes comporte au moins une ligne de découpe traversante agencée du côté extrados d’une pale, la ligne de découpe comportant deux portions extrémales et une portion centrale reliant les deux portions extrémales.
L’invention permet ainsi d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, l’invention permet de résoudre le problème d’endommagement des distributeurs par flambage de la paroi extrados et du bord de fuite des pales de manière simple.
En effet, la ligne de découpe du raccordement extrados permet d’assouplir la zone de flambage dans les directions de sollicitations en introduisant un effet ressort afin de limiter la contrainte sur la paroi extrados et sur le bord de fuite de la pale, permettant 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’assouplissement introduite par la ligne de découpe permet de réduire le chargement des efforts subis par la pale. La souplesse ainsi ajoutée à la pale lui permet de se dilater sur une plus grande zone et augmente ainsi la marge face à l’état ultime de flambement.
Ainsi, l’invention permet de diminuer les 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 déviant son chargement pour limiter la charge sur la paroi extrados. 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 :
- la portion centrale de la ligne de découpe épouse au moins une portion du raccordement extrados d’une pale, de préférence plus de 50 % du raccordement extrados d’une pale ;
- la portion centrale de la ligne de découpe épouse au moins une portion du raccordement extrados d’une pale, la portion s’étendant sur plus de 75 % du raccordement extrados d’une pale et de préférence la totalité du raccordement de la paroi extrados d’une pale ;
- chaque pale présente en outre une paroi d’intrados, les parois d’extrados et d’intrados étant reliées entre elles par un bord d’attaque et un bord de fuite et la portion centrale s’étend du bord d’attaque au bord de fuite de la pale ;
- la portion centrale de la ligne de découpe est distante du raccordement extrados d’une pale d’une distance inférieure ou égale à 15 % de la distance entre deux pales successives mesurée au niveau de la plateforme annulaire intérieur ;
- la portion centrale de la ligne de découpe et le raccordement extrados d’une pale sont confondus ;
- une première des portions extrémales s’étend selon une première direction à partir du bord d’attaque de la pale jusqu’à une première extrémité et une deuxième des portions extrémales s’étend selon la première direction à partir du bord de fuite de la pale jusqu’à une deuxième extrémité, la première direction étant une direction tangentielle au secteur de plateforme portant la ligne de découpe ;
- lequel la première et la deuxième extrémités comportent chacune un orifice traversant ;
- le secteur de distributeur comporte au moins deux pales et dans lequel la longueur des portions extrémales est comprise entre 40 et 60 % de la distance séparant deux pales successives du secteur de distributeur, de préférence égale à 50 % de la distance séparant deux pales successives du secteur de distributeur ;
- lequel les secteurs de plateformes intérieure et extérieure comporte chacun une ligne de découpe traversante comportant deux portions extrémales et une portion centrale reliant les deux portions extrémales, la portion centrale de la ligne de découpe épousant le raccordement extrados d’une pale ;
- le secteur de distributeur comporte sur le secteur de plateforme présentant une ligne de découpe traversante au moins un capot d’étanchéité agencé autour d’au moins une partie de la ligne de découpe du côté du secteur de plateforme destiné à être à l’extérieur d’une veine du distributeur ;
- le secteur de distributeur comporte deux pales reliant les secteurs de plateformes annulaires et dans lequel un des secteurs de plateforme comporte, pour chaque pale, une ligne de découpe traversante épousant le raccordement extrados d’une des pales, et ledit secteur de plateforme comporte des extrémités latérales en regard des parois intrados et extrados des pales présentant une forme de V ou de U ;
- la ou chaque pales est creuse et loge une chemise de refroidissement ;
- le secteur de distributeur comporte au plus trois pales, de préférence deux pales.
L’invention concerne également une couronne de distributeur de turbine pour une turbomachine d’aéronef, comportant une pluralité de secteurs de distributeur disposés circonférentiellement les uns à côté des autres, caractérisée en ce qu’au moins un des secteurs de distributeur est 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.
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
- la
- la
- la
- la
- la
- la
- la
- la
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures.
Claims (15)
- Secteur de distributeur (70 ; 90) de turbine pour une turbomachine d’aéronef, comportant deux secteurs coaxiaux de plateformes annulaires, l’un extérieur (52) et l’autre intérieur (54 ; 72 ; 92), lesdits secteurs étant reliés entre eux par au moins une pale (42) présentant une paroi d’extrados (58) raccordée à un des secteurs de plateformes par un raccordement (65, 75), caractérisé en ce qu’un des secteurs de plateformes comporte au moins une ligne de découpe (80) traversante agencée du côté extrados d’une pale (42), la ligne de découpe (80) comportant deux portions extrémales (82, 84) et une portion centrale (86) reliant les deux portions extrémales (82, 84).
- Secteur de distributeur selon la revendication 1, dans lequel la portion centrale de la ligne de découpe (80) épouse le raccordement extrados d’une pale (42).
- Secteur de distributeur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque pale (42) présente en outre une paroi d’intrados (56), les parois d’extrados et d’intrados étant reliées entre elles par un bord d’attaque et un bord de fuite et la portion centrale (86) s’étendant du bord d’attaque (BA) au bord de fuite (BF) de la pale.
- Secteur de distributeur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel une première (82) des portions extrémales s’étend selon une première direction (T) à partir du bord d’attaque (BA) de la pale (42) jusqu’à une première extrémité et une deuxième (84) des portions extrémales s’étend selon la première direction à partir du bord de fuite (BF) de la pale jusqu’à une deuxième extrémité, la première direction étant une direction tangentielle au secteur de plateforme portant la ligne de découpe.
- Secteur de distributeur selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la première et la deuxième extrémités (82, 84) comportent chacune un orifice traversant (88).
- Secteur de distributeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins deux pales et dans lequel la longueur des portions extrémales est comprise entre 40 et 60 % de la distance séparant deux pales successives du secteur de distributeur, de préférence égale à 50 % de la distance séparant deux pales successives du secteur de distributeur.
- Secteur de distributeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les secteurs de plateformes intérieure et extérieure comporte chacun une ligne de découpe (80) traversante comportant deux portions extrémales et une portion centrale reliant les deux portions extrémales, la portion centrale de la ligne de découpe épousant le raccordement extrados d’une pale.
- Secteur de distributeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant sur le secteur de plateforme présentant une ligne de découpe traversante au moins un capot d’étanchéité agencé autour d’au moins une partie de la ligne de découpe du côté du secteur de plateforme destiné à être à l’extérieur d’une veine du distributeur.
- Secteur de distributeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant deux pales (42A, 42B) reliant les secteurs de plateformes annulaires et dans lequel un des secteurs de plateforme comporte, pour chaque pale, une ligne de découpe traversante (80) épousant le raccordement extrados (58) des pales, et ledit secteur de plateforme comporte des extrémités latérales (96, 98) en regard des parois intrados et extrados des pales présentant une forme de V ou de U.
- Secteur de distributeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ou chaque pale est creuse et loge une chemise de refroidissement (62).
- Secteur de distributeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant au plus trois pales, de préférence deux pales.
- Couronne de distributeur (34) de turbine pour une turbomachine d’aéronef, comprenant une pluralité de secteurs de distributeur disposés circonférentiellement les uns à côté des autre, caractérisée en ce qu’au moins un des secteurs de distributeur est un secteur de distributeur selon l’une des revendications précédentes.
- Turbine de turbomachine d’aéronef, caractérisée en ce qu’elle comporte une couronne de distributeur selon la revendication précédente.
- Turbine selon la revendication précédente, la turbine étant une turbine haute pression.
- Turbomachine d’aéronef (10), caractérisée en ce qu’elle comporte au moins une couronne de distributeur de turbine selon la revendication 12 ou une turbine selon l’une des revendications 13 ou 14.
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2021
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