FR2961552A1 - Aube de turbine a cavite de bord d'attaque refroidie par impact - Google Patents

Abstract

Aube de turbine creuse pour turbomachine réalisée par la technique de la fonderie à la cire perdue, comportant au moins deux cavités internes (16, 17) dans lesquelles circule de l'air de refroidissement, les deux cavités étant séparées l'une de l'autre par une paroi inter-cavités (22), une première cavité (16) étant reliée à l'extérieur de l'aube par des perçages d'évacuation (23) dudit air de refroidissement, la seconde étant alimentée en air de refroidissement par une canalisation d'alimentation, caractérisée en ce que la paroi inter-cavités (22) est traversée par au moins un perçage d'alimentation (21) de la première cavité (16) en air de refroidissement, dont la direction est alignée avec celle d'un des perçages d'évacuation (23c).

Description

Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et, en particulier celui de la fabrication des aubes de turbine de ces turbomachines. Une turbomachine comprend classiquement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz.

Les aubes de turbine sont soumises à de fortes contraintes thermiques dues à la chaleur des gaz dans lesquelles elles sont plongées en sortie de la chambre de combustion, et elles nécessitent d'être refroidies pour supporter ces températures. Elles sont pour cela creuses et traversées par des cavités, dans lesquelles circule de l'air relativement froid, prélevé en sortie d'un étage d'un des compresseurs. Pour réaliser ces cavités, qui ont des formes complexes et dont la géométrie doit être respectée avec une grande précision, les aubes sont produites par la technique classique connue sous le nom de fonderie à la cire perdue. Cette technique consiste schématiquement à réaliser une aube en cire dans laquelle sont noyés des noyaux en céramique qui reproduisent les cavités à venir. L'aube en cire est ensuite noyée dans une coque en matériau réfractaire, de laquelle la cire est évacuée par chauffage. Le métal constituant l'aube est alors coulé dans la coque réfractaire et les noyaux sont ensuite éliminés par voie chimique, laissant à leur place les cavités recherchées. Des mises en oeuvre de cette méthode sont en particulier décrites dans les demandes de brevets de la demanderesse FR2875425 ou FR2874186. Les noyaux pour les aubes de turbine modernes sont constitués par des éléments, ayant classiquement la forme de colonnettes, qui sont positionnés côte à côte et maintenus ensemble par des moyens connus de l'homme du métier. Ces aubes de turbine modernes comportent ainsi plusieurs cavités disposées en parallèle, orientées parallèlement au bord d'attaque de la pale des aubes. Le refroidissement du métal des aubes se fait par une circulation de l'air au sein de ces cavités, qui sont alimentées par des canalisations les reliant aux pieds des aubes.

2 Dans des cas particuliers de réalisation la cavité située le plus en amont, désignée sous le nom de cavité de bord d'attaque, n'est pas alimentée en air de refroidissement par une canalisation spécifique mais par de l'air provenant de la cavité adjacente, en passant au travers de micro-perçages réalisés dans la cloison qui sépare ces deux cavités. Le bord d'attaque de l'aube est ainsi refroidi par l'impact de l'air traversant la paroi inter-cavités. Le noyau céramique utilisé pour la fabrication de telles aubes doit donc comporter une série de tiges réfractaires reliant les colonnettes formant ces deux cavités, pour former, après fonderie, des trous dans la paroi inter-cavités. Ces trous devant être très petits, les deux colonnettes sont reliées par une série de tiges, généralement en silice, extrêmement fines et de ce fait extrêmement fragiles. La nécessaire manipulation des noyaux au cours de la préparation de la forme en cire de l'aube entraîne inévitablement la casse de certains de ces tubes et donc la mise au rebut du noyau endommagé. Ces rebuts ont un coût non négligeable qu'il convient d'éliminer dans toute la mesure du possible. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un noyau pour la réalisation des cavités d'une aube de turbine qui ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, qui ne présente pas de partie fragile susceptible de se rompre lors de sa manipulation. Elle propose également un procédé de réalisation d'une aube, avec l'utilisation d'un tel noyau. A cet effet, l'invention a pour objet une aube de turbine creuse pour turbomachine réalisée par la technique de la fonderie à la cire perdue, comportant au moins deux cavités internes dans lesquelles circule de l'air de refroidissement, les deux cavités étant séparées l'une de l'autre par une paroi inter-cavités, une première cavité étant reliée à l'extérieur de l'aube par des perçages d'évacuation dudit air de refroidissement, la seconde étant alimentée en air de refroidissement par une canalisation d'alimentation. Elle est caractérisée en ce que la paroi inter-cavités est traversée par au moins un perçage d'alimentation de la première cavité en air de refroidissement, dont la direction est alignée avec celle d'un des perçages d'évacuation.

Le fait de percer la paroi inter-cavités après la fonderie permet d'éviter d'avoir à placer des ponts trop fins entre les deux colonnettes qui forment les cavités correspondantes et donc d'avoir un noyau trop fragile. Le perçage de la paroi inter-cavités est alors effectué par l'introduction d'un outil dans un des perçages d'évacuation. Préférentiellement ladite direction est sensiblement 5 perpendiculaire à la paroi inter-cavités. L'attaque de la paroi inter-cavités par l'outil de perçage en est facilitée. Dans un mode particulier de réalisation le diamètre du perçage d'alimentation est supérieur à celui dudit perçage d'évacuation. La réduction du diamètre du perçage d'évacuation est assurée, lors du dépôt 10 d'un revêtement approprié sur le bord d'attaque de l'aube, effectué postérieurement au perçage du trou d'alimentation, ce qui permet l'ajustement du diamètre de ce trou. Avantageusement la première cavité est alimentée en air de refroidissement exclusivement par des perçages d'alimentation pratiqués 15 dans la paroi inter-cavités. On peut ainsi parfaitement maîtriser la circulation interne de l'air de refroidissement. Dans un mode particulier de réalisation la première cavité est la cavité de bord d'attaque de l'aube. Dans un autre mode de réalisation la première cavité est la 20 cavité de bord de fuite de l'aube. L'invention porte également sur un noyau en céramique pour la réalisation de cavités internes d'une aube de turbine par la technique de fonderie à la cire perdue, comportant au moins deux éléments adjacents destinés à créer deux cavités sensiblement parallèles, séparés l'un de 25 l'autre par un espacement destiné à former une paroi inter-cavités, un seul des deux éléments étant relié à un pied de colonne destiné à former une canalisation d'alimentation, caractérisé en ce que le pied de colonne est conformé de façon à diriger le flux d'air de refroidissement passant dans la canalisation d'alimentation qu'il formera, essentiellement dans la 30 cavité formée par ledit élément. Dans un mode particulier de réalisation un premier élément est maintenu en place par au moins un pont fixé sur un autre élément dudit noyau, ledit pont ayant une forme cylindrique ou conique, de sorte que la canalisation qu'il formera pourra être obturée par un bouchon ayant une 35 forme géométrique simple du type cylindrique, conique ou sphérique.

Préférentiellement le premier élément est une première colonnette destinée à former une cavité de bord d'attaque ou de bord de fuite, le second élément étant une seconde colonnette positionnée parallèlement à la première colonnette.

L'invention porte encore sur un procédé de réalisation d'une aube de turbine creuse pour turbomachine utilisant la technique de la fonderie à la cire perdue à l'aide d'un noyau comportant au moins deux éléments adjacents destinés à créer deux cavités sensiblement parallèles, séparés l'un de l'autre par un espacement destiné à former une paroi inter-cavités, ledit procédé comprenant, postérieurement à la fonderie et à l'élimination du noyau, une première étape de perçage de trous d'évacuation dans la paroi délimitant une première cavité, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde étape de perçage d'au moins un trou d'alimentation dans la paroi inter-cavités par l'intermédiaire d'un outil pénétrant dans la première cavité par l'un des trous d'évacuation. Avantageusement le procédé comprend en outre une étape ultérieure d'apport d'un revêtement sur la paroi délimitant la première cavité de façon à réduire la section dudit trou d'évacuation. L'invention porte enfin sur une turbomachine comportant au 20 moins une aube de turbine telle que décrite ci-dessus.

L' invention sera mieux comprise, et d' autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de 25 réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue générique, en coupe, d'un module de turbine haute pression d'une turbomachine ; 30 - la figure 2 est une vue de face d'un noyau pour aube de turbine, selon l'art antérieur ; - la figure 3 est une vue de face d'un noyau pour aube de turbine, selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue de face d'une aube de turbine haute 35 pression, réalisé à partir du noyau de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue d'une aube de turbine de la figure 4, coupée sensiblement à mi-hauteur de sa pale, et - la figure 6 est une vue en coupe de l'aube de turbine de la figure 4.

En se référant à la figure 1, on voit les parties chaudes d'une turbomachine aéronautique comprenant une aube mobile de turbine haute pression 1 située en aval d'une aube fixe de distributeur 2 et portée par un disque de turbine 3. L'aube de distributeur 2 et l'aube mobile 1 sont positionnées dans un flux de gaz 4 qui sort de la chambre de combustion, non représentée, et qui est à une température très élevée. Les figures 2 et 3 représentent un noyau céramique 5 destiné à la réalisation d'une aube mobile de turbine 1, selon l'art antérieur dans le cas de la figure 2 et selon l'invention dans le cas de la figure 3. Le noyau céramique 5, tel que représenté sur les figures, comporte cinq colonnettes, sans que ce nombre soit impératif. La première colonnette 6, qui est destinée à se retrouver du côté de l'arrivée du flux 4, correspond à la cavité de bord d'attaque qui se créera après fonderie, alors que la seconde colonnette 7 correspond à la cavité qui lui est adjacente. Cette dernière reçoit un flux de refroidissement par une canalisation résultant, après fonderie, de la présence d'un premier pied de colonne 8 sur le noyau 5. Les trois dernières colonnettes, qui sont formées d'une seule pièce faisant un aller-retour, correspondent à un second flux d'air de refroidissement qui est amené par une canalisation issue de la présence d'un second pied de colonne 8b.

Dans l'art antérieur de la figure 2, les première et seconde colonnettes 6 et 7 sont reliées l'une à l'autre par une série de ponts 9, auxquels correspondront, après fonderie, des trous d'alimentation en air à travers la paroi inter-cavités, pour le refroidissement de la cavité de bord d'attaque 16. La taille de ces ponts 9 reste relativement importante pour éviter leur rupture lors de la manipulation du noyau 5, ce qui rendrait celui-ci inutilisable. Cette contrainte de taille sur les ponts 9 crée une contrainte supplémentaire pour la conception de l'aube puisque la section de passage entre les deux premières cavités ne peut être diminuée en dessous d'une certaine valeur, valeur pour laquelle les ponts 9 deviendraient trop fragiles.

Dans l'invention représentée sur la figure 3, les première et seconde colonnette 6 et 7 sont séparées l'une de l'autre par un espacement, laissant ainsi la place pour la création d'une paroi inter-cavités pleine 22 lors de la coulée du métal. Pour des raisons de maintien de la première colonnette 6 et de rigidité de l'ensemble du noyau 5 un pont de maintien 10 est mis en place entre l'extrémité inférieure de la première colonnette 6 et le premier pied de colonne 8. La présence de ce pont de maintien aura pour conséquence, après la fonderie, que la cavité de bord d'attaque 16 sera reliée directement par une canalisation spécifique à la canalisation d'alimentation de la seconde cavité 17. Un obturateur devra alors être installé en fin de réalisation de l'aube sur cette canalisation spécifique pour supprimer cette communication et forcer l'air de refroidissement à entrer dans la seconde cavité. Le pont de maintien 10 est, ici, représenté sous la forme d'une tige cylindrique se détachant du premier pied de colonne pour venir s'attacher en partie basse à la première colonnette 6. Il ne se situe pas dans l'axe de la circulation de l'air de refroidissement, celui-ci étant destiné à passer en totalité dans la seconde cavité 17 et la canalisation créée par le pont de maintien 10 ayant vocation à être bouchée pour forcer le flux d'air vers cette seconde cavité. Pour des raisons d'aérodynamique, le pied de colonne 8 se prolonge donc naturellement dans la direction de la seconde colonnette 7, laissant le pont de maintien 10 s'écarter franchement de cette direction pour ne pas se situer dans la continuité du pied de colonne.

La figure 4 montre une aube 1 au travers de laquelle apparaissent les cavités créées par la présence du noyau 5, selon l'invention, lors de la coulée du métal. Les cavités sont numérotées en référence aux éléments du noyau qui les ont créées, en ajoutant 10 à la référence de l'élément correspondant. Le bord d'attaque 20 de l'aube 1 est percé classiquement d'une multitude de trous 23 par lesquels s'évacue l'air de refroidissement en provenance de la première cavité 16, avant de s'écouler le long du profil de l'aube pour refroidir son métal en surface. En se référant maintenant aux figure 5 et 6 on voit des perçages 23 effectués au niveau du bord d'attaque 20 de l'aube. Un trou 21 d'alimentation de la cavité de bord d'attaque 16 est percé au travers de la paroi inter-cavités 22 qui sépare la cavité de bord d'attaque 16 de la

7 seconde cavité 17. L'air de refroidissement provenant de la canalisation d'alimentation 18, passe de la seconde cavité 17 dans la cavité de bord d'attaque 16 d'où il s'écoule vers l'extérieur par une série de perçages d'évacuation pratiqués dans le bord d'attaque 20 et référencés de 23a à 23e. Ces perçages d'évacuation sont orientés sensiblement perpendiculairement au bord d'attaque, à la pointe de celui-ci, et sont de plus en plus inclinés vers la surface de la pale, au fur et à mesure qu'ils s'éloignent de cette pointe pour des raisons d'efficacité aérodynamique. Dans le cas du perçage le plus éloigné de la pointe 23e, il se prolonge même par un perçage tangentiel qui oriente le flux d'air le long du profil de l'aube. Il importe de remarquer, comme cela est visible sur la figure 6 que le perçage d'alimentation 21 est aligné avec le perçage d'évacuation 23c qui est celui situé le plus proche de la pointe du bord d'attaque 20.

Par ailleurs son orientation est dirigée vers la paroi inter-cavités 22. Cet alignement est rendu nécessaire pour pouvoir percer la paroi inter-cavités et réaliser le perçage d'alimentation 21 en introduisant un outil par le perçage d'évacuation 23c. On va maintenant décrire le processus de fabrication d'une 20 aube de turbine 1 à l'aide d'un noyau 5 selon l'invention. Le noyau 5 est fabriqué selon les méthodes traditionnelles et noyé dans une forme en cire reproduisant la forme de l'aube à fabriquer. Après la réalisation d'une coque réfractaire enveloppant l'aube en cire, la coque est chauffée pour faire fondre la cire et l'évacuer par des orifices 25 prévus à cet effet. L'aube proprement dite est alors obtenue par fonderie, en coulant le métal approprié dans les cavités laissées libres par la fonte de la cire, puis en éliminant le noyau 5 par un traitement chimique adapté. On obtient ainsi une aube 1 dans laquelle la cavité de bord 30 d'attaque 16 est séparée de la seconde cavité 17 par la paroi inter-cavités 22 qui est pleine, mais qui, en revanche, est reliée à la canalisation d'alimentation 18 par un conduit résultant de l'existence du pont de maintien 10. Ce conduit est alors obturé, au moyen, par exemple, de l'introduction d'une bille dans ce conduit, où elle est brasée. 35 Une opération classique de perforation de la paroi du bord d'attaque 20 est alors conduite, qui aboutit à la création des perçages 23a à 23e et qui met à l'air libre la cavité de bord d'attaque 16. Lors de la conception de l'aube il a été prévu qu'au moins un perçage 23c soit orienté de façon sensiblement orthogonale à la paroi inter-cavités 22. L'opération de perçage de ce trou 23c est prolongée de façon à atteindre la paroi inter-cavités 22 et à percer un trou d'alimentation 21 à travers elle. On crée ainsi un canal d'alimentation de la cavité de bord d'attaque 16 en air de refroidissement, par la seconde cavité 17. Cet air, en provenance de la canalisation d'alimentation 18, pénètre dans la seconde cavité 17 qu'il refroidit puis passe à travers la paroi inter-cavités 22 par l'intermédiaire des perçages d'alimentation 21. Il débouche ainsi dans la cavité de bord d'attaque 16 d'où il ressort par les perçages d'évacuation 23 afin d'envelopper le profil de l'aube 1 et refroidir sa surface. Le diamètre du perçage d'alimentation 21 est égal à celui de l'outil utilisé pour l'effectuer alors que le diamètre du perçage 23c par lequel est introduit l'outil peut être inférieur à cette valeur, son diamètre étant alors réduit, postérieurement à l'opération de perçage de la paroi inter-cavités, par des traitement de dépôt de divers revêtements sur le bord d'attaque 20. Le concepteur de l'aube n'est ainsi pas limité pour le choix de la taille du perçage d'alimentation et il peut définir librement les diamètres des différents perçages et les débits d'air de refroidissement qu'ils autoriseront. Au final on obtient le résultat recherché, à savoir une aube de turbine pour laquelle on peut optimiser la circulation de son air de refroidissement et qui est obtenue à l'aide d'un noyau 5 ayant une solidité suffisante pour pouvoir être manipulé sans risque excessif de casse. L'invention a été décrite en prenant pour exemple une cavité de bord d'attaque alimentée par de l'air de refroidissement provenant de la cavité adjacente. Il est bien évident qu'elle peut être mise en oeuvre sur toute autre cavité d'une aube de turbine creuse et en particulier sur une cavité de bord de fuite. De même le pont de maintien 10 a été décrit comme ayant une forme cylindrique et le bouchon mis en place dans la canalisation qu'il génère comme étant une bille; le pont peut tout aussi bien avoir une forme conique et le bouchon avoir toute forme géométrique simple qui s'adapte aisément dans la canalisation à boucher, comme par exemple un

9 cylindre de même taille ou une forme conique s'intégrant dans la forme cylindrique ou conique de la canalisation correspondante.5

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Aube de turbine creuse pour turbomachine réalisée par la technique de la fonderie à la cire perdue, comportant au moins deux cavités internes (16, 17) dans lesquelles circule de l'air de refroidissement, les deux cavités étant séparées l'une de l'autre par une paroi inter-cavités (22), une première cavité (16) étant reliée à l'extérieur de l'aube par des perçages d'évacuation (23) dudit air de refroidissement, la seconde étant alimentée en air de refroidissement par une canalisation d'alimentation (18), caractérisée en ce que la paroi inter-cavités (22) est traversée par au moins un perçage d'alimentation (21) de la première cavité (16) en air de refroidissement, dont la direction est alignée avec celle d'un des perçages d'évacuation (23 c).
2. 2. Aube de turbine selon la revendication 1 dans laquelle ladite direction est sensiblement perpendiculaire à la paroi inter-cavités (22).
3. 3. Aube de turbine selon l'une des revendications 1 ou 2 dans laquelle le diamètre du perçage d'alimentation (21) est supérieur à celui dudit perçage d'évacuation (23c).
4. 4. Aube de turbine selon l'une des revendications 1 à 3 dans laquelle la première cavité (16) est alimentée en air de refroidissement exclusivement par des perçages d'alimentation (21) pratiqués dans la paroi inter-cavités (22).
5. 5. Aube de turbine selon l'une des revendications 1 à 4 dans 25 laquelle la première cavité (16) est la cavité de bord d'attaque de l'aube (1).
6. 6. Aube de turbine selon l'une des revendications 1 à 4 dans laquelle la première cavité (16) est la cavité de bord de fuite de l'aube (1). 30
7. 7. Procédé de réalisation d'une aube de turbine creuse (1) pour turbomachine utilisant la technique de la fonderie à la cire perdue à l'aide d'un noyau (5) comportant au moins deux éléments adjacents (6, 7) destinés à créer deux cavités sensiblement parallèles (16, 17), séparés l'un de l'autre par un espacement destiné à former une paroi inter-cavités 35 (22), ledit procédé comprenant, postérieurement à la fonderie et àl'élimination du noyau, une première étape de perçage de trous d'évacuation (23) dans la paroi délimitant une première cavité (16), caractérisé en ce qu'il comporte une seconde étape de perçage d'au moins un trou d'alimentation (21) dans la paroi inter-cavités (22) par l'intermédiaire d'un outil pénétrant dans la première cavité (16) par l'un des trous d'évacuation (23c).
8. 8. Procédé selon la revendication 7 comprenant en outre une étape ultérieure d'apport d'un revêtement sur la paroi délimitant la première cavité (16) de façon à réduire la section dudit trou d'évacuation (23c).
9. 9. Turbomachine comportant au moins une aube de turbine (1) selon l'une des revendications 1 à 6.