Aube mobile de turbine haute pression munie d'un bord de fuite refroidi

Abstract

 Aube mobile de turbine haute pression de turbomachine, comprenant au moins un circuit de refroidissement composé d'au moins une cavité s'étendant radialement entre un sommet et un pied de l'aube, d'au moins une ouverture d'admission d'air à une extrémité radiale de la ou des cavités pour alimenter le ou les circuits de refroidissement en air de refroidissement, et d'une pluralité de fentes (26) s'ouvrant dans la ou les cavités et débouchant sur le coté intrados de l'aube (16A) entre le pied et le sommet de l'aube, de façon sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal de l'aube, et une zone de raccordement (30) est prévue entre une fente (28) la plus proche du pied de l'aube et une surface supérieure (22A) d'une plate-forme (22) définissant une paroi interne pour une veine d'écoulement de gaz de combustion au travers de la turbine haute pression, cette aube mobile comportant en outre une fente supplémentaire d'évacuation de l'air de refroidissement (32) s'ouvrant dans la cavité et débouchant dans la zone de raccordement dans le prolongement du bord de fuite (20).

Description

Arrière-plan de l'invention

[0001] La présente invention se rapporte au domaine général des aubes mobiles de turbine haute pression d'une turbomachine, et plus particulièrement aux fentes d'évacuation de l'air de refroidissement des aubes mobiles d'une turbine haute pression.

[0002] De façon connue en soi, une turbomachine comporte une chambre de combustion dans laquelle de l'air et du carburant sont mélangés avant d'y être brûlés. Les gaz issus de cette combustion s'écoulent vers l'aval dans la chambre de combustion et alimentent ensuite une turbine haute pression. La turbine haute pression comporte une ou plusieurs rangées d'aubes mobiles espacées de façon circonférentielle tout autour du rotor de la turbine. Les aubes mobiles de la turbine haute pression sont ainsi soumises aux températures très élevées des gaz de combustion. Ces températures atteignent des valeurs largement supérieures à celles que peuvent supporter sans dommages les aubes qui sont en contact avec ces gaz, ce qui a pour conséquence de limiter leur durée de vie.

[0003] Afin de résoudre ce problème, il est connu de munir ces aubes de circuits de refroidissement internes visant à réduire la température de ces dernières. Grâce à de tels circuits, de l'air de refroidissement, qui est généralement introduit dans l'aube par son pied, traverse celle-ci en suivant un trajet formé par des cavités pratiquées dans l'aube avant d'être éjecté par des fentes s'ouvrant à la surface de l'aube sur son bord de fuite, comme dans la demande de brevet EP 0 945 594, ou sur son coté intrados, comme dans le brevet US 4 601 638. Plus précisément, ces fentes d'évacuation de l'air de refroidissement sont généralement réparties entre le pied et le sommet de cette aube, de façon sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal de l'aube.

[0004] Il est également connu que les aubes de turbine haute pression équipées de circuits de refroidissement sont réalisées par moulage. Les emplacements des fentes des circuits de refroidissement sont classiquement réservés par des noyaux disposés parallèlement entre eux dans le moule avant la coulée du métal. Pour éviter une fragilisation du noyau lors de la coulée, la fente d'évacuation de l'air de refroidissement la plus proche du pied de l'aube est généralement réalisée dans des dimensions plus importantes que celles des autres fentes comme l'illustre la figure 3 et le brevet américain précité.

[0005] Or, dans la pratique, la zone de raccordement située entre cette fente et la plate-forme supportant l'aube est très mal refroidie, d'autant plus que, à cause des dimensions importantes de cette fente et en raison de la force centrifuge engendrée par la rotation de l'aube, l'air évacué par la fente a tendance à être dévié vers le sommet de l'aube. Il en résulte des gradients thermiques importants au voisinage du bord de fuite qui génèrent par conduction, au niveau de la zone de raccordement, une crique particulièrement préjudiciable à la durée de vie de l'aube.

Objet et résumé de l'invention

[0006] La présente invention vise donc à pallier un tel inconvénient en proposant une aube mobile de turbine haute pression présentant une nouvelle géométrie qui n'engendre pas de crique. L'invention vise également à ne pas dégrader la tenue mécanique générale de l'aube, pièce soumise à des contraintes mécaniques très importantes. Elle vise enfin une turbiné haute pression de turbomachine équipée de telles aubes mobiles au comportement thermique amélioré.

[0007] A cet effet, il est prévu une aube mobile de turbine haute pression de turbomachine, comprenant au moins un circuit de refroidissement composé d'au moins une cavité s'étendant radialement entre un sommet et un pied de l'aube, d'au moins une ouverture d'admission d'air à une extrémité radiale de la ou des cavités pour alimenter le ou les circuits de refroidissement en air de refroidissement, et d'une pluralité de fentes s'ouvrant dans la ou les cavités et débouchant sur un coté intrados de l'aube entre le pied et le sommet de l'aube, de façon sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal de l'aube, et une zone de raccordement est prévue entre une fente la plus proche du pied de l'aube et une surface supérieure d'une plate-forme définissant une paroi interne pour une veine d'écoulement de gaz de combustion au travers de la turbine haute pression, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une fente supplémentaire d'évacuation de l'air de refroidissement pratiquée dans ladite zone de raccordement dans le prolongement du bord de fuite.

[0008] De la sorte, l'air de refroidissement évacué par cette fente additionnelle est guidé au niveau du bord de fuite sur toute la surface de la zone de raccordement de façon à éviter que des criques n'apparaissent au niveau de celle-ci. Cette géométrie particulière du pied d'aube permet d'abaisser de 10% environ la température locale au niveau de cette zone tout en conservant les performances aérodynamiques procurées par les fentes d'évacuation de coté intrados. Dès lors, il n'est plus nécessaire que la fente la plus proche de l'aube présente des dimensions supérieures aux autres fentes car c'est maintenant la fente additionnelle qui subit les effets de pression dus à la coulée du métal. En outre, la fente la plus proche de l'aube reprenant des dimensions normales, le problème posé par la déviation de l'air de refroidissement due à la force centrifuge est éliminé et les pertes en termes de débit en résultant sont donc réduites. Enfin, la tenue de l'aube aux différentes contraintes mécaniques auxquelles elle est soumise n'est pas détériorée par cette géométrie particulière.

[0009] De préférence, cette fente supplémentaire présente une forme prise dans le groupe des formes suivantes : oblongue, rectangulaire, triangulaire ou en T inversé et elle est obtenue directement de fonderie.

[0010] En outre, cette fente supplémentaire peut présenter une section de sortie différente de celle de son canal d'alimentation.

[0011] Avantageusement, une extrémité inférieure longitudinale de la fente supplémentaire est disposée juste au-dessus de ladite surface supérieure de la plate-forme.

Brève description des dessins

[0012] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :

• la figure 1 est une vue en perspective d'une aube mobile de turbine haute pression selon l'invention ;
• la figure 2 est une vue partielle agrandie de la figure 1 montrant un premier exemple de réalisation de la fente supplémentaire d'évacuation de l'air de refroidissement pratiquée dans la zone de raccordement entre le pied de l'aube et la plate-forme,
• les figures 2A et 2B sont des vues en bout du bord de fuite au niveau de la zone de raccordement avec la plate-forme de deux variantes de réalisation de la fente supplémentaire d'évacuation de l'air de refroidissement,
• la figure 2C est une vue en coupe selon le plan AA de la figure 2A,
• la figure 3 est une vue partielle agrandie de la figure 1 illustrant un second exemple de réalisation de la fente supplémentaire d'évacuation de l'air de refroidissement,
• la figure 4 est une vue d'un pied d'aube et de la zone de raccordement entre ce pied et la plate-forme dans une aube de l'art antérieur.

Description détaillée d'un mode de réalisation

[0013] La figure 1 représente en perspective une aube mobile 10, par exemple d'une turbine haute pression d'une turbomachine conforme à la présente invention. Cette aube d'axe longitudinal X-X est fixée sur un disque rotor (non représenté) de la turbine haute pression par l'intermédiaire d'un emmanchement 12 généralement en forme de sapin. Elle comporte typiquement un pied 14A, un sommet 14B, une paroi intrados 16A, une paroi extrados 16B, bord d'attaque 18 et un bord de fuite 20. L'emmanchement 12 se raccorde au pied 14A de l'aube au niveau d'une plate-forme 22 définissant une paroi interne pour la veine d'écoulement des gaz de combustion au travers de la turbine haute pression.

[0014] Une telle aube est soumise aux températures très élevées des gaz de combustion et nécessite donc d'être refroidie. A cet effet, et de façon connue en soi, l'aube mobile 10 comporte au moins un circuit de refroidissement interne composé par exemple d'au moins une cavité 24 s'étendant radialement entre le pied 14A et le sommet 14B de l'aube. Cette cavité est alimentée en air de refroidissement à l'une de ses extrémités radiales par une ouverture d'admission d'air (non représentée). Cette ouverture d'admission d'air est généralement prévue au niveau de l'emmanchement 12 de l'aube. Il est également prévu une pluralité de fentes 26 s'ouvrant dans la cavité 24 et débouchant, dans l'exemple illustré, sur le coté intrados 16A de l'aube afin d'évacuer l'air de refroidissement s'écoulant dans la cavité. Cette disposition des fentes d'évacuation directement au travers de la paroi intrados 16A de l'aube est préférable à celle sur le bord de fuite (qui nécessite une épaisseur d'aube plus importante), du fait des performances aérodynamiques meilleures qu'elle autorise. Les fentes 26 d'évacuation de l'air de refroidissement sont typiquement réparties entre le pied 14A et le sommet 14B de l'aube, de façon sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal X-X de l'aube. Plus particulièrement, la fente 28 la plus proche du pied 14A de l'aube 10 est formée juste au-dessus d'une zone de raccordement 30 entre le pied 14A de l'aube et une surface supérieure 22A de la plate-forme 22 du côté de la veine d'écoulement des gaz de combustion.

[0015] La perspective de la figure 2 et les figures 2A à 2C illustrent plus précisément la géométrie du bord de fuite 20 de l'aube au niveau de cette zone de raccordement avec la fente 28 la plus proche du pied 14A de l'aube 10.

[0016] Conformément à l'invention, il est prévu une fente supplémentaire s'ouvrant dans la cavité 24 et débouchant dans ladite zone de raccordement dans le prolongement du bord de fuite 20. Cette fente supplémentaire 32 permet d'assurer un refroidissement par convection de cette partie de la zone de raccordement et, par conduction, de la fente la plus proche du pied de l'aube et d'une partie de la plate-forme située dans le prolongement du bord de fuite. Ainsi, en homogénéisant la température au niveau de celle-ci, il est possible de supprimer tout point chaud et ainsi d'améliorer le comportement thermique de l'aube. L'air de refroidissement évacué par cette fente additionnelle recouvre en effet toute la surface de la zone de raccordement au niveau du bord de fuite et en abaisse la température locale de 10% environ, et cela sans modifier les performances aérodynamiques que procurent les fentes d'évacuation du coté intrados. Ainsi, tout risque de crique au niveau de cette zone de raccordement entre le pied de l'aube et la plate-forme disparaît et la durée de vie de l'aube s'en trouve rallongée. Dès lors, il n'est plus nécessaire que la fente 28 la plus proche du pied de l'aube présente des dimensions supérieures aux autres fentes 26, comme l'illustre l'art antérieur de la figure 4 et, en reprenant des dimensions normales, le problème posé par la déviation de l'air de refroidissement au niveau de cette fente, due à la force centrifuge, est éliminé ainsi que les pertes en termes de débit en résultant.

[0017] La fente supplémentaire peut présenter différentes formes déterminées en fonction des critères de dimensionnement thermique et mécanique souhaités. De même, le canal d'alimentation et l'orifice de sortie peuvent être de sections différentes. Ainsi, la figure 2 illustre une fente supplémentaire présentant un canal d'alimentation et un orifice de sortie de forme allongée, avantageusement oblongue (une section rectangulaire est aussi envisageable). Sur la figure 2A, la section en sortie est toujours oblongue mais le canal interne d'alimentation est sensiblement triangulaire, c'est à dire évasé de part et d'autre de ce trou de sortie, de sorte à assurer un meilleur refroidissement de la zone de raccordement tout en ayant un débit de sortie parfaitement calibré. Selon les contraintes thermiques et les efforts mécaniques subis par l'aube, cet évasement d'angle variable peut être dissymétrique et donc se diriger que vers un seul coté, comme l'illustre la figure 2B.

[0018] Une variante de réalisation de la fente additionnelle dont le canal d'alimentation présente une forme en T inversé confondue avec celle de l'orifice de sortie 34 est également illustré à la figure 3.

[0019] Cette fente est avantageusement obtenue directement de fonderie en même temps que l'aube elle-même (et non usinée ensuite) et elle traverse l'aube jusqu'à la cavité 24 tout en restant constamment juste au-dessus du niveau de la surface supérieure de la plate-forme (c'est à dire que son extrémité inférieure longitudinale 32A ou 34A est au-dessus de cette surface supérieure 22A). Ainsi, c'est cette fente additionnelle qui subit les effets de la pression de coulée de métal et non la fente 28 la plus proche du pied de l'aube, comme dans l'art antérieur, et tout risque de fragilisation de l'aube lié à un usinage est écarté.

Revendications

1. Aube mobile de turbine haute pression de turbomachine, comprenant au moins un circuit de refroidissement composé d'au moins une cavité (24) s'étendant radialement entre un sommet (16) et un pied (14) de l'aube (10), d'au moins une ouverture d'admission d'air à une extrémité radiale de la ou les cavités pour alimenter le ou les circuits de refroidissement en air de refroidissement, et d'une pluralité de fentes (26) s'ouvrant dans la ou des cavités et débouchant sur un coté intrados de l'aube (16A) entre le pied et le sommet de l'aube, de façon sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal (X-X) de l'aube, et une zone de raccordement (30) est prévue entre une fente (28) la plus proche du pied de l'aube et une surface supérieure (22A) d'une plate-forme (22) définissant une paroi interne pour une veine d'écoulement de gaz de combustion au travers de la turbine haute pression, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une fente supplémentaire (32, 34) d'évacuation de l'air de refroidissement s'ouvrant dans ladite cavité et débouchant dans ladite zone de raccordement dans le prolongement du bord de fuite (20).

2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite fente supplémentaire présente une forme prise dans le groupe des formes suivantes : oblongue, rectangulaire, triangulaire ou en T inversé.

3. Aube selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite fente supplémentaire présente une section de sortie différente de celle de son canal d'alimentation.

4. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite fente supplémentaire est obtenue directement de fonderie.

5. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'une extrémité inférieure longitudinale (32A, 34A) de la fente supplémentaire est disposée juste au-dessus de ladite surface supérieure de la plate-forme.

6. Turbine haute-pression de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité d'aubes mobiles (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes.

Dessins