FR3137716A1 - Distributeur de turbine pour une turbomachine d’aéronef - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un distributeur de turbine pour une turbomachine d’aéronef, ce distributeur comprenant des pales, l’extrados et/ou l’intrados de chaque pale comprenant au moins une fente (30) traversante de passage d’air depuis une cavité interne (11) de la pale jusqu’à l’extérieur de la pale, la ou chaque fente ayant une forme générale incurvée dont la concavité est orientée vers le bord d’attaque (15) de la pale, et la ou chaque fente traversante s’étendant sur une hauteur ou dimension radiale de la pale représentant au moins 30%, et de préférence au moins 50%, d’une hauteur ou dimension radiale maximale de la pale. Figure pour l’abrégé : Fig. 5b
Description
L’invention concerne un distributeur de turbine pour une turbomachine d’aéronef, une turbomachine d’aéronef comprenant un tel distributeur de turbine et un procédé de fonctionnement de cette turbomachine.
L’invention trouve particulièrement application dans les distributeurs de turbine haute pression qui sont ventilés par de l’air de ventilation en cours de fonctionnement.
Une turbomachine et en particulier une turbomachine d’aéronef comprend au moins une veine annulaire suivant un axe longitudinal et dans laquelle circule un flux d’air aérodynamique, appelé air de ventilation. Cet air de ventilation traverse d’amont en aval et successivement un ensemble de compresseur, une chambre de combustion et un ensemble turbine de la turbomachine.
Les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation des gaz dans la turbomachine.
L’ensemble de compresseur comprend un ou plusieurs étages de compresseur et l’ensemble de turbine comprend un ou plusieurs étages de turbine. Les étages de compresseur et de turbine comprennent chacun plusieurs rangées annulaires de pales fixes et des rangées d’aubes rotatives. Les pales fixes connues sous le terme de distributeurs dans une turbine ou redresseurs dans un compresseur dirigent le flux vers les aubes rotatives. Ces dernières transmettent l'énergie du flux à un arbre rotatif coaxial à l’axe longitudinal.
Chaque pale et chaque aube s’étend radialement entre une extrémité de tête et une extrémité de pied et comprend en amont un bord d’attaque et en aval un bord de fuite. Entre les bords d’attaque et de fuite s’étendent des surfaces intrados et extrados opposées. Les pales fixes s’étendent entre deux parois annulaires du distributeur, respectivement interne et externe.
Un tel distributeur de turbine est sectorisé et comporte plusieurs secteurs de distributeur disposés circonférentiellement bout à bout autour de l’axe longitudinal. Un secteur comporte en général plusieurs pales fixes.
Un distributeur de turbine, notamment haute pression, est soumis à des températures élevées du flux d’air venant de la chambre de combustion. Ce flux d’air chaud, dont la température est typiquement supérieure à 600°C, circule sur les pales du distributeur et les expose à de fortes contraintes.
Dans une turbine basse pression, les pales sont généralement pleines tandis que dans une turbine haute pression, les pales peuvent être creuses dans la hauteur et loger un système de refroidissement adapté pour faire circuler de l’air de ventilation à l’intérieur des pales.
Chaque pale de turbine haute pression comprend ainsi une cavité interne ainsi que des trous traversants de passage d’air de ventilation depuis la cavité interne jusqu’à l’extérieur de la pale.
Il est connu, par exemple des documents FR3094034A1, FR3111163A1, FR3112367A1, de monter une chemise de ventilation dans la cavité interne de chaque pale de distributeur. Cette chemise a une forme tubulaire et comprend une pluralité de perforations qui laissent passer l’air de ventilation en l’accélérant. L’air de ventilation pénètre dans la chemise et traverse ses perforations pour impacter ensuite les parois internes de la pale, favorisant ainsi son refroidissement. L’air de ventilation est ensuite évacué par les trous de la pale.
La technique de refroidissement par chemise est efficace car elle favorise les échanges de chaleur entre l’air de ventilation et les parois des pales. Toutefois, les inventeurs de la présente invention ont observé la présence de ruines, c’est-à-dire de dégradations, au niveau des parois des pales refroidies par chemises. Plus précisément, ils ont observé la présence de fissures béantes dans les parois des pales et un gonflement central de la paroi du distributeur haute pression. Les fissures béantes se présentent sous la forme d’arcs de cercle présentant une concavité orientée vers le bord d’attaque.
En outre, ces dégradations se manifestent également par la présence d’une couche de couleur sombre, localisée en aval des fissures béantes. Toutefois, cette couche qui révèle l’existence d’une barrière thermique devrait normalement présenter une couleur blanche au lieu d’une couleur sombre. En principe, les parois sont censées être suffisamment chaudes pour empêcher les dépôts de kérosène et de sable/poussière. Ce phénomène met donc en évidence un écoulement important d’air de ventilation en sortie des fissures, en provenance des cavités internes des pales, qui résulte de ces fissures.
Tous ces constats sont caractéristiques du phénomène d’instabilité, dit de flambage ou flambement, des pales du distributeur, qui est suivi d’une ruine thermomécanique des pales par gonflement.
Suivant la géométrie actuelle de la pièce, en fonctionnement moteur, chaque pale est sollicitée de la manière suivante :
• Une différence de température importante entre le centre des parois de la pale et les parois annulaires du distributeur à chaque décollage ou montée brutale en température,
• Une différence de température entre le côté veine des parois de la pale et le côté cavité interne de ces parois qui est refroidi par impact,
• Des contraintes radiales résultant du fléchissement radial des parois annulaires du distributeur sous l’effet de la déformation radiale du carter où est assemblé le distributeur.
Ces trois aspects ont pour conséquence de mettre transitoirement les pales, et surtout les parois des pales, en état de compression importante. Les parois des pales cherchent alors à libérer l’énergie relative à la compression par un état de déformation ultime irréversible, d’où le gonflement central, la présence de fissures béantes, et la circulation de l’air de ventilation à travers lesdites fissures.
L’invention vise à surmonter au moins une partie des problèmes précités.
L’invention propose à cet égard un distributeur de turbine pour une turbomachine d’aéronef, ce distributeur ayant une forme annulaire autour d’un axe et comportant :
- deux parois annulaires coaxiales, respectivement interne et externe,
- des pales s’étendant entre les parois interne et externe, ces pales étant creuses et comportant des cavités internes qui débouchent au moins dans des orifices de la paroi externe, ces pales comportant chacune un extrados et un intrados qui sont reliés ensemble au niveau d’un bord d’attaque et d’un bord de fuite de la pale, l’extrados et/ou l’intrados de la pale comportant des trous traversants de passage d’air de ventilation depuis la cavité interne jusqu’à l’extérieur de la pale,
- des chemises tubulaires montées dans les cavités internes des pales, ces chemises étant perforées pour le passage d’air de ventilation.
Le distributeur de turbine selon l’invention est caractérisé en ce que l’extrados et/ou l’intrados de chaque pale comprend au moins une fente traversante de passage d’air de ventilation depuis la cavité interne jusqu’à l’extérieur de la pale, la ou chaque fente traversante ayant une forme générale incurvée dont la concavité est orientée vers le bord d’attaque de la pale, et la ou chaque fente s’étendant sur une hauteur ou dimension radiale de la pale représentation au moins 30%, et de préférence au moins 50%, d’une hauteur ou dimension radiale maximale de la pale.
Ainsi, au lieu de chercher à contrer la déformation des pales et la création de fissures du distributeur, l’invention propose de maîtriser les déformations des pales en réalisant une ou plusieurs fentes traversantes dans leurs parois.
La ou chaque fente peut s’apparenter à une branchie de poisson et est donc apte à s’ouvrir davantage en fonctionnement en fonction des dilations thermiques.
En effet, comme les fentes ont une forme générale incurvée dont la concavité est orientée vers le bord d’attaque de la pale, elles se présentent avec l’orientation et la forme des fissures béantes qui se seraient formées dans une paroi exposée au phénomène de compression précédemment vu. Cependant, chaque fente traversante est configurée, dès l’étape de conception, pour se déformer selon les contraintes exercées sur les pales.
En outre, comme chaque fente s’étend sur une hauteur ou dimension radiale de la pale représentant au moins 30%, et de préférence au moins 50%, d’une hauteur ou dimension radiale maximale de la pale, elle présente les dimensions des fissures qui se seraient formées dans la paroi exposée au phénomène de compression générant sa déformation.
L’invention permet ainsi de mieux contrôler le refroidissement du distributeur de turbine en mimant la forme des fissures béantes, non désirées, observées en cas de déformation de la paroi de la pale. Ceci permet de faciliter la déformation de la paroi durant les phases de fonctionnement de la turbomachine. En effet, comme ceci a été mentionné précédemment, une différence de température importante existe entre le centre de la pale et les parois interne et externe.
Selon différentes caractéristiques de l’invention qui pourront être prises ensemble ou séparément :
- seul l’extrados de chaque pale comprend au moins une fente traversante ;
- l’extrados et/ou l’intrados de chaque pale comprend deux, voire trois fentes traversantes ;
- les fentes traversantes d’une même pale sont identiques et espacées axialement les unes des autres selon une direction longitudinale de la pale définie entre le bord d’attaque et le bord de fuite de la pale ;
- les fentes traversantes sont centrées radialement sur les pales et sont situées à une même distance radiale des parois interne et externe ;
- les fentes traversantes sont centrées axialement longitudinalement sur chaque pale et sont situées à une même distance axiale du bord d’attaque et du bord de fuite de cette pale ;
- au moins certaines des fentes traversantes s’étend dans un plan qui est tangent à une corde de la pale ;
- chacune des fentes traversantes s’étend dans un plan qui forme un angle inférieur à 30° avec une surface de l’intrados ou de l’extrados dans laquelle ladite fente traversante est formée ;
- chaque fente traversante a un entrefer maximal compris entre 0,1 mm et environ 0,2 mm ;
- l’entrefer maximal est configuré pour augmenter jusqu’à une valeur inférieure ou égale à 2 mm lorsque les pales du distributeur sont soumises à une température supérieure ou égale à 600°.
L’invention concerne en outre une turbomachine d’aéronef comprenant au moins un distributeur de turbine tel que précédemment décrit.
L’invention concerne enfin un procédé de fonctionnement d’une turbomachine telle que décrite précédemment, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend :
- une première étape (a) de fonctionnement dans laquelle des gaz circulent entre les pales du distributeur à une température inférieure ou égale à une valeur prédéterminée, les fentes traversantes des pales ayant des entrefers maximums compris entre 0,1 mm et 0,2 mm, et
- une seconde étape (b) de fonctionnement dans laquelle des gaz circulent entre les pales du distributeur à une température supérieure à ladite valeur prédéterminée, ces pales subissant des déformations thermiques et ayant des fentes traversantes ayant des entrefers maximums inférieurs ou égaux à 2 mm.
Ainsi, lorsque le distributeur est exposé à des températures supérieures à la valeur prédéterminée, les fentes traversantes sont configurées pour se déformer de sorte à ce que l’entrefer maximal augmente jusqu’à une valeur prédéterminée, ce qui permet le relâchement des contraintes générées par la déformation de la paroi des pales.
D’autres objets, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement dans la description qui suit, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles :
- la est une vue schématique en perspective d’un distributeur de turbine pour une turbomachine d’aéronef, selon un exemple de réalisation ;
- la est une vue schématique en perspective d’un secteur de distributeur pour une turbomachine d’aéronef, selon un exemple de réalisation ;
- la est une vue schématique en coupe transversale d’une pale de distributeur ;
- la est une vue schématique en perspective d’une chemise de ventilation pour une pale de distributeur ;
- la est une vue schématique de côté d’un secteur de distributeur selon un mode de réalisation de l’invention, et illustre une première étape (a) d’un procédé de fonctionnement selon l’invention ;
- la est une vue schématique de côté du secteur de distributeur de la , et illustre une seconde étape (b) du procédé de fonctionnement selon l’invention ;
- la est une vue schématique en coupe transversale d’une pale de distributeur selon une variante de réalisation de l’invention, et illustre une première étape (a) d’un procédé de fonctionnement selon l’invention ; et
- la est une vue schématique en coupe transversale de la pale de la , et illustre une seconde étape (a) d’un procédé de fonctionnement.
Par convention, dans la présente demande, les termes « amont » et « aval » est défini par rapport au sens de circulation des gaz dans une turbomachine en fonctionnement, de l’amont vers l’aval. De même, par convention dans la présente demande, les termes « interne » et « externe », et les termes « intérieur » et « extérieur », sont définis radialement par rapport à un axe longitudinal de la turbomachine, sauf mention contraire dans ce qui suit.
La illustre un distributeur 1 d’une turbine de turbomachine d’aéronef. Ce distributeur 1 comprend des parois annulaires coaxiales, respectivement radialement interne 3 et radialement externe 4, sous forme de plateformes, qui délimitent entre elles une veine annulaire d'écoulement des gaz dans la turbine et entre lesquelles s'étendent radialement des pales 10.
Dans le cadre de l’invention, la turbine peut être une turbine haute pression, à savoir la turbine directement située en aval de la chambre de combustion de la turbomachine. En effet, comme ceci a été expliqué précédemment, c’est le distributeur de la turbine haute pression qui subit les plus fortes contraintes du fait des températures élevées auquel il est exposé en fonctionnement.
La turbine comprend un ou plusieurs étages de turbine. Les étages de turbine comprennent chacun plusieurs rangées annulaires de pales fixes 10 à profil aérodynamique et des rangées d’aubes rotatives (non représentées). Les pales s’étendent radialement à travers la turbine où circule un flux de gaz chaud ou flux primaire. Les pales 10 sont configurées pour diriger le flux primaire vers les aubes rotatives.
Comme illustré sur la , le distributeur 1 présente une forme annulaire autour de l’axe X. Le distributeur 1 est sectorisé, c’est-à-dire qu’il comporte plusieurs secteurs 2 de distributeur disposés circonférentiellement bout à bout autour de l’axe longitudinal X de la turbomachine et de la turbine.
Un de ses secteurs 2, délimité par des traits en pointillés sur la , est représenté à la . Chaque secteur 2 comporte une pluralité de pales 10 qui s’étendent entre les parois interne 3 et externe 4. Chaque pale 10 est creuse et comporte une cavité interne 11 qui débouche au moins dans un trou traversant 5 de la paroi externe 4.
La illustre une vue en coupe d’une pale 10 de distributeur 1. F désigne la circulation d’air de ventilation dans la veine de turbine, de l’amont vers l’aval. La pale 10 comprend notamment un extrados 14 et ou un intrados 16 s’étendant axialement, c’est-à-dire selon l’axe longitudinal X. L’extrados et l’intrados sont reliées entre eux en amont par un bord d’attaque 15 de l’air de ventilation et en aval par un bord de fuite 17 de cet air de ventilation. La référence 25 désigne une corde de la pale 10.
Une chemise tubulaire perforée 20 est montée dans la cavité interne 11 de chaque pale et est représentée à la . En pratique, la chemise 20 est montée dans la cavité à travers le trou traversant 5 précité de la paroi externe, qui est ensuite refermé par une plaquette 6a rapportée et une douille 6b d’alimentation en air de ventilation de la pale (cf. ).
Comme illustré à la , la chemise 20 tubulaire de ventilation présente une forme générale allongée le long d’un axe longitudinal A-A qui s’étend sensiblement radialement par rapport à l’axe X. Cette chemise comporte une paroi tubulaire périphérique 1a autour de cet axe longitudinal A-A munie d’une pluralité de perforations 21. Une première extrémité axiale ouverte de la chemise est avantageusement munie d’une collerette 22 permettant la solidarisation de la chemise et de la pale 10 à laquelle elle est associée. La chemise 20 est rendue solidaire de la pale 10 par soudage ou brasage de cette extrémité avec le bord en contact du trou traversant 5 précité de la paroi externe 4. La première extrémité axiale de la chemise 20 est ouverte pour son alimentation en air de ventilation. La chemise 20 comprend également une deuxième extrémité axiale, opposée à la première extrémité axiale de la chemise, qui peut être ouverte ou fermée.
L’air de ventilation provient d’un circuit d’alimentation qui est lui-même relié à un circuit de prélèvement d’air dans un compresseur de la turbomachine. L’air de ventilation alimente les cavités internes des pales en passant à travers les douilles 6b (flèches F1 à la ). Cet air de ventilation pénètre dans la chemise 20 puis passe à travers des perforations 21 de la chemise, et impacte les parois internes de la pale 10 ce qui assure son refroidissement. L’air de ventilation est ensuite évacué dans la veine d'écoulement des gaz de la turbine en passant à travers des trous d’évacuation 7 (cf. figures 3, 5a-5b et 6a-6b).
En référence aux figures 5a et 5b, nous allons maintenant décrire une pale 10 d’un distributeur de turbine selon l’invention. Dans l’exemple de réalisation illustré sur les figures 5a et 5b, l’extrados 14 de chaque pale 10 comprend trois fentes 30 traversantes de passage d’air de ventilation. Ceci étant, comme cela sera mieux compris dans la suite, l’objectif de l’invention est atteint même lorsque l’extrados ne comprend qu’une fente 30 traversante. En variante, on peut ne prévoir la ou les fentes 30 traversante(s) que sur l’intrados 16 de chaque pale. Selon une autre variante, à la fois l’extrados 14 et l’intrados 16 de chaque pale comprennent au moins une fente 30 traversante. Toutefois, c’est au niveau de l’extrados 14 de chaque pale que le phénomène indésirable décrit au préambule de la description est le plus susceptible de se produire et c’est donc pour l’extrados 14 de chaque pale que le distributeur 1 de turbine selon l’invention peut présenter le plus d’intérêt.
Comme illustré sur les figures 6a et 6b, les fentes 30 traversantes s’étendent depuis la cavité interne 11 jusqu’à l’extérieur de la pale 10, selon le cas au niveau de l’extrados 14 et/ou de l’intrados 16 de la pale. Autrement dit, les fentes 30 traversantes s’étendent depuis une surface interne de la cavité interne 11 de la pale jusqu’à une surface extérieure de l’extrados 14 et/ou de l’intrados 16 de la pale.
Revenons aux figures 5a et 5b, les fentes 30 traversantes ont sensiblement une forme d’arc de cercle dont la concavité est orientée vers le bord d’attaque 15. Ceci étant les fentes 30 traversantes peuvent ne pas présenter une telle forme. Dans le cadre de la présente invention, il importe seulement que les fentes 30 traversantes aient une forme générale incurvée dont la concavité est orientée vers le bord d’attaque 15 de la pale. Ainsi, les fentes 30 traversantes pourraient présenter toute autre forme que la forme en arc de cercle, à condition que cette forme soit incurvée et présente une concavité orientée vers le bord d’attaque 15. On comprend ainsi que le côté convexe de chaque fente est orienté vers le bord de fuite 17 de la pale.
En outre, selon l’invention, les fentes 30 traversantes s’étendent sur une hauteur ou dimension radiale de la pale représentant au moins 30% d’une hauteur ou dimension radiale maximale de la pale. La hauteur ou dimension radiale maximale de la pale correspond à la distance la plus élevée séparant les extrémités radiales ou des bordures latérales 35, 36 de la pale. Les fentes 30 traversantes s’étendent donc sur une portion significative de la pale. Incidemment, elles ne peuvent donc être confondues avec d’autres perforations se situant au niveau de la pale 10 qui seraient destinées à un autre usage, en particulier les trous traversants 7 précités.
Les pales 10 du distributeur 1 selon cet exemple de réalisation de l’invention sont ainsi configurées de sorte à accompagner le phénomène de déformation variable du carter de la turbomachine se produisant lors des phases de montée brutale en température. Les fentes 30 traversantes permettent la respiration par le gonflement des parois des pales 10 et permettent donc de relâcher de l’air frais de ventilation sous la forme d’une couche de refroidissement, afin de limiter l’effet de fatigue thermomécanique. Dans l’invention, la « respiration » est la capacité de la paroi de la pale 10 à évacuer l’air de ventilation venant de la cavité interne 11 par gonflement de la paroi des pales au niveau de la ou chaque fente 30 traversante.
Bien que la compression exercée sur la paroi de chaque pale 10 reste importante, cela n’engendre pas un comportement de la paroi dans lequel elle va chercher à libérer de l’énergie par une déformation irréversible. Au contraire, cela engendre un comportement de la paroi dans lequel la paroi est structurellement configurée, par l’intermédiaire des fentes 30 traversantes, pour se déformer temporairement selon les contraintes, notamment radiales, qui s’exercent sur elle. Ainsi, la réponse à la déformation de la paroi est anticipée par la présence des fentes 30 traversantes.
En outre, la forme incurvée des fentes 30 traversantes permet de ne pas créer de concentration de contraintes. En cela, le comportement du distributeur 1 de turbine selon l’invention est nettement amélioré en comparaison de celui des distributeurs de turbine de l’art antérieur, ce qui permet de mieux contrôler la circulation de l’air de ventilation vers l’extérieur de la pale.
De préférence, les fentes 30 traversantes s’étendent sur une hauteur ou dimension radiale de la pale représentant au moins 50% d’une hauteur ou dimension radiale maximale de la pale. Selon cette configuration, la réponse de la paroi à la déformation générée par les contraintes qui s’exercent sur la paroi est plus adaptée aux fortes contraintes, c’est-à-dire les contraintes aptes à générer des déformations irréversibles sur la paroi d’une pale lorsque rien n’est prévu pour empêcher la déformation. De telles contraintes peuvent par exemple être générées dans des phases de fonctionnement de l’aéronef telles que les phases de décollage. Mais ceci n’est qu’un exemple, et ces fortes contraintes peuvent s’exercer sur les parois des pales dans d’autres phases de fonctionnement de l’aéronef.
De manière avantageuse, seul l’extrados 14 de chaque pale comprend au moins une fente 30 traversante. En effet, comme indiqué précédemment, l’extrados 14 des pales du distributeur est plus exposé aux températures élevées que l’intrados 16. En outre, l’extrados 14 est directement exposé à l’air chaud, généré dans la chambre de combustion, qui circule à travers la veine alors que l’intrados 16 est exposé à l’air frais de ventilation venant du carter, et donc moins sujet aux anomalies observées sur la paroi des pales. C’est donc au niveau de l’extrados 14 que sont donc susceptibles de s’exercer les plus fortes contraintes radiales et que les fissures béantes sont donc le plus susceptibles de se former.
De manière préférentielle, l’extrados 14 et/ou l’intrados 16 de chaque pale 10 comprend(comprennent) deux, voire trois fentes 30 traversantes. Ce dernier exemple étant celui illustré sur les figures 5a et 5b. Ceci étant, l’extrados 14 et/ou l’intrados 16 de chaque pale pourrait comprendre jusqu’à cinq fentes 30 traversantes sans que cela ne nuise au processus de refroidissement de la turbine haute pression. De manière pratique, il est possible de contrôler le refroidissement en ajoutant des fentes, dans la limite des cinq fentes 30 précédemment indiquées.
Selon une mise en œuvre avantageuse, les fentes 30 traversantes d’une même pale sont identiques et espacées axialement les unes des autres. Comme indiqué précédemment, l’extrados 14 et l’intrados 16 de chaque pale 10 s’étendent axialement, c’est-à-dire selon l’axe longitudinal X (visible sur la ). Ainsi, on entend par « espacées axialement » le fait que les fentes 30 traversantes soient, tel qu’illustré sur les figures 5a et 5b, séparées les unes des autres par une distance définie dans la direction de l’axe longitudinal X. Selon cette mise en œuvre particulière, le dimensionnement des pales 10 est simplifié si l’on souhaite adapter le comportement, i.e. la réponse, des pales à une contrainte spécifique, dans la mesure où toutes les fentes 30 sont identiques.
Il est également avantageux que les fentes 30 traversantes soient centrées radialement sur chaque pale 10 et soient situées à une même distance radiale des parois interne 3 et externe 4 du distributeur. En effet, dans ces conditions, le sommet de la concavité de chacune des fentes 30 traversantes est idéalement situé pour que la pale se déforme autour du point où la contrainte exercée est la plus forte. En effet, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence, par simulation, que la zone de déformation « maximale » de la paroi des pales se situait sensiblement au centre de la paroi. Lorsque les fentes 30 traversantes sont agencées tel qu’indiqué, à savoir qu’elles sont centrées radialement sur chaque pale 10 et sont situées à une même distance radiale des parois interne 3 et externe 4 du distributeur, les fentes 30 traversantes sont aptes à se déformer en suivant plus précisément le mouvement de déformation qui se serait naturellement induit par les contraintes radiales exercées sur les parois des pales.
En outre, selon une mise en œuvre particulière, les fentes 30 traversantes sont centrées axialement sur chaque pale et sont situées à une même distance axiale du bord d’attaque 15 et du bord de fuite 17.
Les figures 6a et 6b permettent d’observer un exemple d’agencement des fentes 30 traversantes entre la surface interne de la cavité interne 11 et l’extrados 14 de la pale. Dans l’exemple illustré, au moins certaines des fentes 30 traversantes peuvent s’étendre avantageusement dans un plan qui est tangent à une corde 25 de la pale. Rappelons que la corde d’une pale de distributeur correspond au segment reliant son bord d’attaque et son bord de fuite. Ainsi, les fentes 30 traversantes ne s’étendent pas selon une direction d’axe normal aux surfaces que lesdites fentes 30 traversent, à savoir la surface interne de la cavité interne 11 et la surface externe de la paroi de la pale considérée. Une telle configuration génère très peu de modification de l’air de ventilation externe.
Toutefois, selon une mise en œuvre préférée, chacune des fentes 30 traversantes s’étend dans un plan qui forme un angle inférieur à 30° avec une surface de l’intrados ou de l’extrados dans laquelle ladite fente 30 traversante est formée. Cela permet de ne pas modifier l’air de ventilation externe et améliore le comportement aérodynamique des pales 10. En outre, comme ceci sera expliqué dans la suite, l’inclinaison des fentes 30 traversantes varie selon l’intensité des contraintes qui s’exercent sur chaque pale. Ainsi, la configuration ci-avant décrite, à savoir que les fentes 30 traversantes s’étendent dans un plan qui forme un angle inférieur à 30° avec une surface de l’intrados ou de l’extrados dans laquelle elles sont respectivement formées, s’applique dans un état non déformé de la pale 10 et donc des fentes 30 comme dans un état déformé de la pale et donc des fentes 30.
En pratique, chaque fente 30 traversante a un entrefer d maximal qui peut varier entre une valeur minimale et une valeur maximale. Autrement dit, l’entrefer peut prendre des valeurs intermédiaires est comprise entre sa valeur minimale et sa valeur maximale.
De manière particulièrement avantageuse, lorsqu’aucune contrainte n’est exercée sur la paroi de la pale, l’entrefer est compris entre 0,1 mm et environ 0,2 mm. Ainsi, l’entrefer d n’est jamais nul et est au minimum de 0,1 mm, ce qui permet à la paroi de la pale de « respirer » même lorsque la paroi n’est pas ou peu déformée par les contraintes radiales qui s’exercent sur la pale.
En revanche, toujours dans les conditions précitées (i.e. en l’absence de contraintes sur la paroi des pales), il est préférable que l’entrefer d soit au plus d’environ 0,2 mm. En effet, les dimensions de l’entrefer d en l’absence de contraintes exercées sur la paroi de la pale influencent significativement les dimensions de l’entrefer d lorsque des contraintes sont exercées sur la paroi de la pale. Un entrefer d’au plus 0,2 mm en l’absence de contraintes permet d’atteindre une valeur d’entrefer d inférieure ou égale à 2 mm tout en permettant une respiration contrôlée de la paroi de la pale. En tout état de cause, l’entrefer d est réglable à la conception du distributeur 1 de turbine de sorte qu’il est possible de précisément régler la manière dont circule l’air de ventilation depuis la cavité interne de la pale jusqu’à ce qu’il soit libéré à l’extérieur de la pale 10. Une détermination de l’entrefer optimal au moment de la conception du distributeur permet aussi de mieux contrôler le refroidissement de la turbine lors de la phase d’utilisation. Cet entrefer optimal se situe autour de 1 mm.
Selon une mise en œuvre avantageuse, l’entrefer d est configuré pour augmenter jusqu’à une valeur inférieure ou égale à 2 mm lorsque les pales 10 du distributeur selon l’invention sont soumises à une température supérieure ou égale à 600°C. L’entrefer d est ainsi configuré de manière optimale pour permettre la respiration de la paroi dans des conditions de contraintes diverses, en tout état de cause lorsque les contraintes radiales qui s’exercent sur la paroi des pales sont fortes. Nous y reviendrons dans la suite.
L’invention concerne aussi une turbomachine d’aéronef comprenant un distributeur 1 de turbine tel que précédemment décrit. Le fonctionnement des turbomachines d’aéronef est bien connu de l’état de la technique et n’est pas rappelé ici.
L’invention concerne en outre un procédé de fonctionnement d’une turbomachine d’aéronef.
Le procédé comprend une première étape a) de fonctionnement dans laquelle des gaz circulent entre les pales 10 du distributeur à une température inférieure ou égale à une valeur prédéterminée, les fentes 30 traversantes des pales ayant des entrefers d compris entre 0,1 mm et 0,2 mm.
Selon une mise en œuvre particulière, la température de valeur prédéterminée est égale à 600°C. Lorsque la turbomachine fonctionne à une température strictement inférieure à cette valeur, elle est dans une phase de fonctionnement dite « phase froide ». En revanche, lorsque la turbomachine fonctionne à une température supérieure ou égale à cette valeur, la turbomachine est dans une phase de fonctionnement dite « phase chaude ».
Lorsque les gaz circulent entre les pales 10 du distributeur à une température inférieure à la température de valeur prédéterminée, les fentes 30 traversantes sont telles que l’entrefer d est compris entre 0,1 mm et 0,2 mm. Comme introduit dans la description qui précède, un entrefer d compris dans cette gamme de valeurs permet de maintenir une respiration minimale de la paroi lors des phases froides tout en étant sélectionné de manière appropriée pour que la respiration soit suffisante lors des phases chaudes.
Le procédé comprend en outre une seconde étape b) de fonctionnement dans laquelle des gaz circulent entre les pales 10 du distributeur à une température supérieure à ladite valeur prédéterminée, ces pales subissant des déformations thermiques et ayant des fentes 30 traversantes ayant des entrefers d inférieurs ou égaux à 2 mm.
Lorsque la température du flux d’air venant de la chambre de combustion est très élevée, c’est-à-dire supérieure à 600° C, l’entrefer d tel que spécifié permet à la paroi de respirer convenablement et surtout de manière contrôlée, ce qui n’étaient pas le cas avec les distributeurs de turbine de l’art antérieur. Ainsi, la déformation des pales n’est plus subie et compensée par la formation de fissures béantes, mais subie et contrôlée.
De préférence, les parois des pales 10 sont faites d’un monocristal avec revêtement. Le monocristal peut être du type AM1. Le revêtement peut se présenter sous la forme d’une sous-couche avec barrière thermique.
Les configurations montrées aux figures citées ne sont que des exemples possibles, nullement limitatifs, de l’invention qui englobe au contraire les variantes de formes et de conceptions à la portée de l’homme de l’art.
Claims (12)
- Distributeur (1) de turbine pour une turbomachine d’aéronef, ce distributeur ayant une forme annulaire autour d’un axe (X) et comportant :
- deux parois (3, 4) annulaires coaxiales, respectivement interne et externe,
- des pales (10) s’étendant entre les parois interne et externe (3, 4), ces pales étant creuses et comportant des cavités internes (11) qui débouchent au moins dans des orifices de la paroi externe (4), ces pales comportant chacune un extrados (14) et un intrados (16) qui sont reliés ensemble au niveau d’un bord d’attaque (15) et d’un bord de fuite (17) de la pale, l’extrados et/ou l’intrados de la pale comportant des trous traversants de passage d’air de ventilation depuis la cavité interne jusqu’à l’extérieur de la pale, et
- des chemises (20) tubulaires montées dans les cavités internes des pales, ces chemises étant perforées pour le passage d’air de ventilation,
- Distributeur (1) selon la revendication 1, dans lequel seul l’extrados (14) de chaque pale comprend au moins une fente (30) traversante.
- Distributeur (1) selon la revendication 1, dans lequel l’extrados (14) et/ou l’intrados (16) de chaque pale comprend deux, voire trois fentes (30) traversantes.
- Distributeur (1) selon la revendication 3, dans lequel les fentes (30) traversantes d’une même pale sont identiques et espacées axialement les unes des autres.
- Distributeur (1) selon l’une quelconque des revendications 3 à 4, dans lequel les fentes (30) traversantes sont centrées radialement sur les pales (10) et sont situées à une même distance radiale des parois interne (3) et externe (4).
- Distributeur (1) selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel les fentes (30) traversantes sont centrées axialement sur chaque pale et sont situées à une même distance axiale du bord d’attaque (15) et du bord de fuite (17) de cette pale.
- Distributeur (1) selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel au moins certaines des fentes (30) traversantes s’étendent dans un plan qui est tangent à une corde (25) de la pale.
- Distributeur (1) selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel chacune des fentes (30) traversantes s’étend dans un plan qui forme un angle inférieur à 30° avec une surface de l’intrados (14) ou de l’extrados (16) dans laquelle ladite fente traversante est formée.
- Distributeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque fente (30) a un entrefer (d) maximal compris entre 0,1 mm et environ 0,2 mm.
- Distributeur (1) selon la revendication 9, dans lequel l’entrefer (d) maximal est configuré pour augmenter jusqu’à une valeur inférieure ou égale à 2 mm lorsque les pales (10) du distributeur sont soumises à une température supérieure ou égale à 600°C.
- Turbomachine d’aéronef, comprenant au moins un distributeur (1) de turbine selon l’une quelconque des revendications précédentes.
- Procédé de fonctionnement d’une turbomachine selon la revendication précédente, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend :
- une première étape (a) de fonctionnement dans laquelle des gaz circulent entre les pales (10) du distributeur à une température inférieure ou égale à une valeur prédéterminée, les fentes (30) traversantes des pales ayant des entrefers (d) maximums compris entre 0,1 mm et 0,2 mm, et
- une seconde étape (b) de fonctionnement dans laquelle des gaz circulent entre les pales (10) du distributeur à une température supérieure à ladite valeur prédéterminée, ces pales subissant des déformations thermiques et ayant des fentes (30) traversantes ayant des entrefers (d) maximums inférieurs ou égaux à 2 mm.
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2022
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