FR3107720A1 - Aube de turbine, procédé de fabrication ou de reconditionnement du talon de ladite aube - Google Patents
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Abstract
AUBE DE TURBINE, PROCÉDÉ DE FABRICATION OU DE RECONDITIONNEMENT DU TALON DE LADITE AUBE L’invention se rapporte à une aube de turbine comportant un talon (30) positionné au niveau d’une extrémité radialement externe, ledit talon (30) comprenant une plateforme (31) présentant un premier flanc latéral (32) et un deuxième flanc latéral (33) opposés, une plaquette anti-usure (36, 38) recouvrant au moins 80% de la surface d’au moins un flanc latéral parmi les premier et deuxième flancs latéraux (32, 33). Figure à publier avec l’abrégé : 4
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L’invention se rapporte au domaine général des turbomachines.
L’invention concerne plus particulièrement une aube de turbine comprenant un talon dont les flancs latéraux sont munis d’un matériau anti-usure. En outre, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication ou de reconditionnement dudit talon.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Les turbomachines aéronautiques comprennent classiquement plusieurs modules tels qu’un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression suivie d’une turbine basse pression, qui entraînent le compresseur basse pression ou haute pression correspondant, et un système d’éjection des gaz. La turbine, haute ou basse pression, se compose d’une succession d’étages axiaux disposés les uns derrière les autres, comportant chacun une roue d’aubes mobiles, appelée rotor, et une roue d’aubes fixes, appelée distributeur.
Dans le présent exposé, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz (de l'amont vers l'aval) à travers la turbine. On appelle « axe de la turbomachine », l'axe de rotation du rotor de la turbomachine. La direction axiale correspond à la direction de l'axe de la turbomachine et une direction radiale est une direction perpendiculaire à l'axe de la turbomachine et coupant cet axe. En outre, les adjectifs « interne » et «externe», «intérieur» et «extérieur» sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie interne d'un élément est, suivant une direction radiale, plus proche de l'axe de la turbomachine que la partie externe du même élément.
La figure 1 est une vue en perspective d’une aube mobile d’un rotor de turbine.
En référence à la figure 1, l’aube mobile 10 comprend une pale 8 s'étendant radialement entre une extrémité radialement interne et une extrémité radialement externe. À son extrémité radialement interne, l'aube mobile 10 comprend un pied 4 par lequel elle est fixée à un disque du rotor, ce disque étant commun à plusieurs aubes mobiles 10. À son extrémité radialement externe, l'aube mobile 10 comprend un élément transversal, appelé talon 6.
La figure 2 est une vue de dessus du talon 6 de l’aube mobile 10 illustrée à la figure 1.
Comme on peut le voir sur la figure 2, le talon 6 comprend une plateforme 18 délimitant extérieurement la veine d'écoulement du gaz circulant entre les pales 8 des aubes mobiles 10. La plateforme 18 est délimitée par des premier et deuxième flancs latéraux 16, 20 opposés, respectivement du côté d'intrados et du côté d'extrados de l'aube mobile 10. En outre, la plateforme comporte des léchettes d'étanchéité amont 12 et aval 14 s'étendant radialement vers l'extérieur à partir de la face externe de la plateforme 18.
Chacun des premier et deuxième flancs latéraux 16, 20 de la plateforme 18 présente, entre les léchettes amont 12 et aval 14, un profil sensiblement en "Z" avec une première portion 16A, 20A, proche de la léchette amont 12, une deuxième portion intermédiaire 16B, 20B et une troisième portion 16C, 20C proche de la léchette aval 14. Les premières portions 16A, 20A et les troisièmes portions 16C, 20C sont sensiblement parallèles entre elles et la deuxième portion 16B, 20B s'étend obliquement entre les première et troisième portions 16A, 20A et 16C, 20C.
La figure 3 est une vue de dessus des talons 6 de trois aubes mobiles 10 adjacentes.
Comme on peut le voir sur la figure 3, lorsque plusieurs aubes mobiles 10 sont fixées sur le disque du rotor, les premier et deuxième flancs latéraux 16, 20 des talons 6 sont agencés bout à bout de manière à former une couronne circonférentielle qui a notamment pour fonction de délimiter extérieurement la veine d'écoulement du gaz traversant la turbine et de limiter ainsi les fuites de gaz à cet endroit.
Pendant le fonctionnement ou l’arrêt de la turbine, les aubes mobiles 10 de chaque rotor sont en contact les unes avec les autres via les premier et deuxième flancs latéraux 16, 20, en particulier le long des deuxièmes portions 16B, 20B des flancs latéraux 16, 20. Les deuxièmes portions 16B, 20B définissent donc les surfaces de contact inter-aubes et sont le lieu de frottements importants, en particulier lors du fonctionnement de la turbine.
Afin de protéger les talons 6 contre l'usure, les deuxièmes portions 16B, 20B sont recouvertes d'une couche 22, 24 de matériau anti-usure résistant aux frottements. Le matériau anti-usure est généralement un alliage d'acier à haute teneur en chrome et en cobalt, commercialisé sous la marque Stellite®. Classiquement, ce matériau anti-usure est déposé sur les deuxièmes portions 16B, 20B par soudure.
Cependant, le dépôt par soudure du matériau anti-usure sur les deuxièmes portions 16B, 20B des flancs latéraux 16, 20 est une opération complexe. En effet, dans la mesure où le matériau anti-usure est sous forme liquide lors du dépôt, le dépôt doit être réalisé manuellement. Or, il s’avère difficile de déposer le matériau anti-usure uniquement sur les deuxièmes portions 16B, 20B, i.e. sans déborder de ces portions. Aussi, il est nécessaire, après le dépôt du matériau anti-usure, de procéder à l’usinage des flancs latéraux 16, 20 et de la surface supérieure du talon 6 et dans certains cas, d’effectuer également des retouches manuelles de manière à obtenir le résultat souhaité.
En outre, il a été constaté l’apparition d’éventuelles criques après la dépose des gouttes de Stellite® sur les talons 6 ce qui induit la mise au rebut de certaines aubes mobiles 10. Ces criques s’expliquent par à un gradient thermique trop élevé entre la température de l’aube mobile 10 et la température des gouttes de matériau anti-usure.
Par ailleurs, le frottement entre les flancs latéraux 16, 20 des talons 6 pendant le fonctionnement de la turbine entraine l’usure voire la perte de la couche 22, 24 de matériau anti-usure ce qui conduit à un mauvais positionnement des talons 6, à une détérioration des flancs latéraux 16, 20 et à une perte de contact entre les talons 6. Ainsi, les talons 6 des aubes mobiles 10 sont régulièrement reconditionnés. Au cours de l’opération de reconditionnement, le matériau anti-usure est retiré, généralement par fraisage local, puis redéposé sur les flancs latéraux 16, 20 des talons 6 par soudure à la goutte ou au laser. Cependant, pour les mêmes raisons que celles évoquées précédemment, le dépôt du matériau anti-usure par soudure à la goutte ou au laser peut entrainer la formation de criques sur le talon et dans le matériau anti-usure ce qui induit la mise au rebut des aubes mobiles 10.
L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en proposant une aube de turbine dont le talon résiste mieux aux frottements et qui est plus facile à fabriquer et/ou à reconditionner.
Un premier aspect de l’invention concerne une aube de turbine comprenant un talon positionné au niveau d’une extrémité radialement externe, ledit talon comprenant une plateforme présentant un premier flanc latéral et un deuxième flanc latéral opposés, une plaquette anti-usure recouvrant au moins 80% de la surface d’au moins un flanc latéral parmi les premier et deuxième flancs latéraux.
Par «plaquetteanti-usure », on entend une pièce rapportée monobloc qui est formée à partir d’un matériau anti-usure par opposition au matériau anti-usure déposé goutte par goutte sur les flancs latéraux de manière à former une couche «reconstituée» de matériau anti-usure.
Grâce à la plaquette anti-usure, le talon de l’aube est plus facile à fabriquer et à reconditionner. En effet, quelques points de soudure suffisent pour fixer la plaquette anti-usure sur le flanc latéral du talon. De plus, il n’est plus nécessaire d’effectuer une opération d’usinage ou des retouches manuelles sur le talon ce qui permet un gain de temps considérable lors de la fabrication ou le reconditionnement. De même, lors du reconditionnement du talon, le démontage de la plaquette anti-usure est facile et rapide à réaliser car la plaquette anti-usure n’est reliée au talon que par quelques points de soudure.
En outre, les contraintes thermiques résiduelles locales lors de la soudure du matériau anti-usure sur les flancs latéraux sont réduites. En effet, dans la mesure où quelques points de soudure suffisent pour fixer la plaquette anti-usure sur un flanc latéral du talon, il y a moins de risques de voir apparaitre des criques dans le matériau anti-usure ou dans le talon lors de la fabrication ou de reconditionnement du talon.
De plus, dans la mesure où la plaquette anti-usure est fabriquée avant sa fixation sur le flanc latéral du talon, l’épaisseur de matériau anti-usure est toujours optimale.
Ainsi, l’utilisation de la plaquette anti-usure permet de diminuer fortement le nombre de pièces en rebut et donc de réduire de manière considérable les coûts de fabrication et de reconditionnement des talons d’aube.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, l’aube de turbine selon le premier aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Selon un mode de réalisation non limitatif, la plaquette anti-usure recouvre entièrement ledit au moins un flanc latéral.
Selon un mode de réalisation non limitatif, la plaquette anti-usure est fixée audit au moins un flanc latéral par des points de soudure.
Selon un mode de réalisation non limitatif, la plateforme du talon comprend une léchette amont et une léchette aval, chacun des premier et deuxième flancs latéraux de la plateforme présentant, entre la léchette amont et la léchette aval, un profil sensiblement en Z.
Selon un mode de réalisation non limitatif, la plaquette anti-usure est réalisée à partir d’un matériau à base de cobalt.
Selon un mode de réalisation non limitatif, la plaquette anti-usure présente une épaisseur comprise entre 0.08 et 2mm.
Selon un mode de réalisation non limitatif, l’aube de turbine est une aube mobile de turbine basse pression.
Un deuxième aspect de l’invention concerne une turbomachine comprenant une turbine comportant au moins une aube de turbine selon le premier aspect de l’invention.
Un troisième aspect de l’invention se rapporte à un procédé de fabrication ou de reconditionnement du talon de l’aube selon le premier aspect, comportant une étape de fixation de la plaquette anti-usure sur ledit au moins un flanc latéral parmi les premier et deuxième flancs latéraux du talon par des points de soudure.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé de fabrication ou de reconditionnement selon le troisième aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Selon un mode de réalisation non limitatif, le procédé de fabrication ou de reconditionnement comprend une étape de fabrication de la plaquette anti-usure par découpage et emboutissage d’une tôle.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLÉE
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
De manière classique, une turbomachine comprend, d'amont en aval dans le sens d’écoulement du flux de 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.
Chaque turbine, i.e. basse et haute pression, se compose d’une succession d’étages axiaux disposés les uns derrière les autres. Chaque étage comporte une roue d’aubes mobiles formant le rotor et un roue d’aubes fixes formant le distributeur. La roue mobile est mise en rotation en vis-à-vis du distributeur correspondant.
L’invention se rapporte à une aube de turbine, de préférence une aube mobile de turbine, comprenant un talon.
Dans la suite de la description, on admettra que l’aube selon l’invention est une aube mobile de rotor de turbine.
On rappelle qu’une aube mobile comprend une pale s'étendant radialement entre une extrémité radialement externe et une extrémité radialement interne. À son extrémité radialement interne, l'aube mobile comprend un pied par lequel l’aube mobile est fixée à un disque du rotor (non représenté) de la turbine qui tourne autour de l'axe de la turbomachine. À son extrémité radialement externe, l'aube mobile comprend un talon. Lorsque plusieurs aubes mobiles sont fixées au disque de rotor, leurs talons sont disposés flanc à flanc de manière à former une couronne circonférentielle rotative délimitant une surface de révolution autour de l'axe de rotation du disque.
La figue 4 est une vue de dessus des talons 30 de trois aubes mobiles adjacentes, selon un mode de réalisation de l’invention.
Pour des raisons de clarté, les références dans la figure 4 ont uniquement été indiquées pour un seul des trois talons 30.
En référence à la figure 4, chaque talon 30 comprend une plateforme 31 délimitant extérieurement la veine d'écoulement du gaz circulant entre les pales 37 du rotor. La plateforme 31 présente un premier flanc latéral 32 et un deuxième flanc latéraux 33 opposés situés, respectivement, du côté d'intrados et du côté d'extrados de l'aube mobile, ainsi qu’un bord amont 26 et un bord aval 28.
En outre, la plateforme 31 du talon 30 comprend une léchette d'étanchéité amont 34 et une léchette d’étanchéité aval 35 s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la face externe de la plateforme 31. Lorsque les aubes mobiles sont fixées sur le disque du rotor, les léchettes amont 34 ou aval 35 des aubes mobiles sont disposées flanc à flanc de manière à former un anneau rotatif. Un tel anneau a notamment pour fonction de limiter le jeu existant entre les aubes mobiles et le carter, qui entoure celles-ci, afin de limiter les fuites de gaz à cet endroit.
Par ailleurs, chacun des premier et deuxième flancs latéraux 32, 33 de la plateforme 31 présente, entre les léchettes amont 34 et aval 35, un profil sensiblement en "Z", avec une première portion 32A, 33A, proche de la léchette amont 34, une deuxième portion intermédiaire 32B, 33B, et une troisième portion 32C, 33C, proche de la léchette aval 35. En particulier, les première 32A, 33A et troisième portions 32C, 33C sont sensiblement parallèles entre elles et la deuxième portion 32B, 33B s'étend obliquement entre les première 32A, 33A et troisième portions 32C, 33C. Dans une variante de réalisation non illustrée, chacun premier et deuxième flancs latéraux 32, 33 de la plateforme 31 présente, entre les léchettes amont 34 et aval 35, un autre profil que celui illustré, par exemple sensiblement en V, en U ou en S.
Pour être protégées contre l'usure, les surfaces du premier flanc latéral 32 et le deuxième flanc latéral 33 sont recouvertes, respectivement, d’une première plaquette anti-usure 36 et d’une deuxième plaquette anti-usure 38 réalisées dans un matériau anti-usure, i.e. résistant aux frottements. En particulier, les première et deuxièmes plaquettes anti-usure 36, 38 recouvrent au moins 80% de la surface des premier et deuxième flancs latéraux 32, 33, de préférence entre 90 et 100%.
La figure 5a est une vue latérale d’un des talons 30 représentés à la figure 4.
Comme on peut le voir sur la figure 5a, la première plaquette anti-usure 36 présente une forme et des dimensions sensiblement identiques à la forme et aux dimensions du premier flanc latéral 32 du talon 30 de manière que la première plaquette anti-usure 36 recouvre entièrement le premier flanc latéral 32. Naturellement, le deuxième flanc latéral 33 qui n’est pas visible sur la figure 5a est également entièrement recouvert d’une deuxième plaquette anti-usure 38 dont la forme et les dimensions sont sensiblement identiques à la forme et aux dimensions du deuxième flanc latéral 33. Les plaquettes anti-usure 36, 38 présentent, de préférence, une épaisseur e comprise entre 0.08 et 2mm. Avantageusement, le matériau anti-usure est un alliage à base de cobalt, tels que et de manière non limitative les alliages connus sous les dénominations suivantes: HA 188, MAR-M-509, HS25.
La figure 5b est une vue en coupe suivant la ligne C-C de la figure 4 qui illustre l’interface entre les flancs latéraux 32, 33 de deux talons 30 adjacents, au niveau des deuxièmes portions 32B, 33B des flancs latéraux 32, 33. La figure 5c est une vue en coupe suivant la ligne D-D de la figure 4 qui illustre l’interface entre les flancs latéraux 32, 33 des trois talons 30, au niveau d’une partie amont des talons 30. Comme on peut le voir sur les figures 5b et 5c, le contact entre les plaquettes anti-usure 36, 38 se fait uniquement au niveau des deuxièmes portions 32B, 33B.
L’invention concerne également un procédé de fabrication ou de reconditionnement du talon 30 de l’aube mobile.
Dans une première étape, les première et deuxième plaquettes anti-usure 36, 38 sont fabriquées. Avantageusement, l’étape de fabrication est réalisée par découpage et emboutissage d’une tôle, de préférence réalisée dans un matériau à base de cobalt.
Dans une deuxième étape, la première plaquette anti-usure 36 et la deuxième plaquette anti-usure 38 sont fixées, respectivement, sur le premier flanc latéral 32 et sur le deuxième flanc latéral 33 du talon 30 par des points de soudure 39. Avantageusement, le matériau de soudage est par exemple à base de cobalt. Il s'agit d'une opération manuelle car le matériau de soudage est sous forme liquide lors du dépôt. Selon le mode de réalisation de la figure 4, sept points de soudure 39 sont déposés sur chacun des flancs latéraux 32, 33 du talon 30 et son répartis de manière identique sur tous les flancs latéraux 32, 33. En particulier, un point de soudure 39 est disposé sur la deuxième portion 32B, 33B, trois points de soudure 39 sont répartis entre le bord amont 26 de la plateforme 31 et la léchette amont 34 et les trois autres points de soudure 39 sont répartis entre la léchette aval 35 et le bord aval 28 de la plateforme 31.
Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux différents modes de réalisation qui ont été décrits, et des variantes de réalisation sont possibles.
Claims (9)
- Aube de turbine comportant un talon (30) positionné au niveau d’une extrémité radialement externe, ledit talon (30) comprenant une plateforme (31) présentant un premier flanc latéral (32) et un deuxième flanc latéral (33) opposés, caractérisé en ce qu’une plaquette anti-usure (36, 38) recouvre au moins 80% de la surface d’au moins un flanc latéral parmi les premier et deuxième flancs latéraux (32, 33).
- Aube de turbine selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la plaquette anti-usure (36, 38) est fixée audit au moins flanc latéral par des points de soudure (39).
- Aube de turbine selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la plateforme (31) du talon (30) comprend une léchette amont (34) et une léchette aval (35), chacun des flancs latéraux (32, 33) de la plateforme (31) présentant, entre la léchette amont (34) et la léchette aval (35), un profil sensiblement en Z.
- Aube de turbine selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la plaquette anti-usure (36, 38) est réalisée à partir d’un matériau à base de cobalt.
- Aube de turbine selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la plaquette anti-usure (36, 38) présente une épaisseur (e) comprise entre 0.08 et 2mm.
- Aube de turbine selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite aube est une aube mobile de turbine basse pression.
- Turbomachine comprenant une turbine, caractérisée en ce que ladite turbine comprend au moins une aube selon l’une quelconque des revendications précédentes.
- Procédé de fabrication ou de reconditionnement de l’aube de turbine selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de fixation d’une plaquette anti-usure (36, 38) sur au moins un flanc latéral parmi les premier et deuxième flancs latéraux (32, 33) du talon (30) par des points de soudure.
- Procédé de fabrication ou de reconditionnement selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de fabrication de la plaquette anti-usure (36, 38) par découpage et emboutissage d’une tôle.
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2020
- 2020-02-27 FR FR2001966A patent/FR3107720B1/fr active Active
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