FR2987292A1 - Noyau de fonderie, secteur de stator de turbine a gaz et procede de fabrication d'un tel secteur utilisant un tel noyau. - Google Patents

Abstract

Noyau de fonderie pour la fabrication d'un secteur de stator de turbine à gaz comprenant une pluralité d'aubes, entre une plateforme radialement intérieur et une plateforme radialement extérieure, à l'intérieur de chacune desquelles est ménagée une cavité interne, le noyau (12a) comprenant une pluralité de pales (14) pour la formation desdites cavités internes (10) dans chacune des aubes du secteur et étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément de maintien (18) des pales (14) agencé pour relier les pales (14) entre elles.

Description

Noyau de fonderie, secteur de stator de turbine à gaz et procédé de fabrication d'un tel secteur utilisant un tel noyau L'invention concerne un noyau destiné à être utilisé lors du procédé de fabrication par fonderie à la cire perdue d'un secteur de stator de turbine à gaz d'un aéronef. L'invention concerne également un secteur de stator de turbine à gaz et un procédé de fabrication d'un tel secteur utilisant un tel noyau. Afin d'alléger la masse d'un stator de turbine à gaz d'aéronef ou de faire circuler de l'air de refroidissement, il est connu de ménager une ou plusieurs cavités à l'intérieur d'une ou plusieurs aubes du stator à l'aide d'un noyau céramique permettant, dans le procédé de fabrication par fonderie à la cire perdue, de réserver un emplacement pour ladite ou lesdites cavités.

On connaît ainsi un noyau comprenant, pour la fabrication d'un secteur de stator comportant une pluralité d'aubes creuses entre une plateforme radialement intérieure et une plateforme radialement extérieure, une pluralité de pales, chacune d'entre elles étant conformée pour réaliser une cavité interne longitudinale dans l'aube correspondante. Le noyau est d'abord placé dans un moule d'injection de cire puis, lors de l'opération d'injection de cire, l'espace est comblé par la cire et l'ensemble forme un modèle dit « brut ». Un moule carapace en matière céramique vient ensuite envelopper le modèle brut. Puis, lors de l'opération de fonderie proprement dite, qui consiste en la coulée d'un métal en fusion, par exemple un alliage base nickel, dans le moule carapace, la cire est éliminée et le métal coulé vient combler les vides laissés par la cire. Le noyau céramique est ensuite dissous de manière à laisser place aux cavités correspondantes. Le secteur obtenu comprend ainsi une pluralité d'aubes à l'intérieur de chacune desquelles est ménagée une cavité interne.

Afin de maintenir en place les pales du noyau avant l'injection de cire, chaque pale est montée sur une douille du moule d'injection de cire. Cependant, la forme, l'écartement et l'inclinaison des pales les unes par rapport aux autres peuvent empêcher la disposition d'une pluralité de douilles les unes à côté des autres dans le moule d'injection de cire, ce qui présente un premier inconvénient. En outre, il n'est pas possible de disposer les douilles, notamment les unes à côté des autres, lorsque le moule est agencé pour fabriquer une plateforme de secteur de stator comprenant une paroi, par exemple recourbée, qui empêche une telle disposition des douilles, ce qui présente un deuxième inconvénient. L'invention a pour but de résoudre au moins en partie les problèmes qui viennent d'être exposés. A cet effet, elle concerne un noyau de fonderie pour la fabrication d'un secteur de stator de turbine à gaz comprenant une pluralité d'aubes, entre une plateforme radialement intérieur et une plateforme radialement extérieure, à l'intérieur de chacune desquelles est ménagée une cavité interne. Le noyau comprend une pluralité de pales pour la formation desdites cavités internes dans chacune des aubes du secteur. Le noyau est innovant en ce qu'il comprend au moins un élément de maintien des pales agencé pour relier les pales entre elles. Par le terme « radialement intérieur », on entend plus proche du centre de la turbine et par le terme « radialement extérieur », on entend par opposition plus éloigné du centre de la turbine. Lorsque ces termes sont utilisés en rapport avec le noyau, ils correspondent aux termes du secteur de stator correspondant formé à partir dudit noyau. Les pales n'ont ainsi plus besoin d'être maintenues une par une chacune par une douille étant donné qu'elles sont reliées entre elles par l'élément de maintien. De préférence, l'élément de maintien comprend au moins une portée de maintien du noyau agencée pour maintenir le noyau dans le moule de fonderie. Une telle portée de maintien permet de fixer le noyau dans le moule d'injection de cire au niveau de l'élément de maintien. Il n'est ainsi plus nécessaire de fixer les pales une par une dans des douilles dans le moule d'injection de cire comme c'était le cas dans l'art antérieur, le noyau peut être fixé par seulement, par exemple, une ou deux portées de maintien, par exemple, espacées dans le cas de deux, de sorte à pouvoir insérer le noyau, par l'intermédiaire de la ou desdites portées, dans seulement une ou deux douilles correspondantes qui peuvent ainsi être facilement montées dans le moule d'injection de cire. La réduction du nombre de portées de maintien entraîne en outre une réduction des coûts d'outillage, notamment du moule d'injection de cire, et donc des coûts de production. De manière avantageuse, chaque pale est reliée par l'une de ses extrémités à l'élément de maintien. En d'autres termes, dans ce cas, l'élément de maintien relie chacune des pales au niveau de l'une de leurs extrémités. Ceci permet de maintenir le noyau dans le moule, par l'intermédiaire de l'élément de maintien, par exemple au niveau de sa base. Un tel élément de maintien permet en outre de diminuer le taux d'écart sur les cotes de la pièce lors de la fabrication de celle-ci étant donné que les pales et l'élément de maintien ne forment qu'un et sont donc fixes les uns par rapport aux autres. Entre d'autres termes, grâce à l'élément de maintien, la disposition relative des aubes est plus précise, notamment leurs angles respectifs, ce qui implique que moins de secteurs sont déclarés non-conforme lors de contrôles qualité et donc que la pièce coûte globalement moins chère à produire. Avantageusement, chaque pale est prolongée par une portée de maintien à l'une de ses extrémités. Par exemple, à l'extrémité opposée à celle au niveau de laquelle la pale est reliée à l'élément de maintien si tel est le cas. Chaque pale peut alors être maintenue dans une douille du moule d'injection de cire par la portée de maintien correspondante située au niveau de l'une des extrémités de la pale, par exemple à son extrémité distale.

Lorsque l'élément de maintien relie les pales entre elles au niveau de l'une de leurs extrémités et que la structure du secteur de stator, par exemple une plateforme du secteur, empêche l'utilisation d'une douille par pale du noyau dans la partie de celui-ci, le noyau peut comprendre un second élément de maintien reliant les pales au niveau de leurs extrémités opposées à celles reliées par le premier élément de maintien, avec les mêmes avantages associés que ceux du premier élément de maintien.

Selon un aspect de l'invention, l'élément de maintien comprend une paroi ondulée tridimensionnelle de forme complexe. Cette paroi peut être la paroi extérieurement radiale du premier l'élément de maintien, située du côté des pales. Ceci permet d'améliorer l'aérodynamisme de la plateforme en pied d'aube. Un tel élément de maintien permet ainsi de créer une telle paroi de plateforme aisément, c'est-à-dire avec moins d'outillage que pour les solutions de l'art antérieur, dans lesquelles de multiples inserts sont nécessaires pour donner une telle forme ondulée tridimensionnelle.

L'invention concerne aussi un secteur de stator de turbine à gaz comprenant une pluralité d'aubes, entre une plateforme radialement intérieure et une plateforme radialement extérieure, à l'intérieur de chacune desquelles est ménagée une cavité interne. Le secteur est innovant en ce qu'il comprend une paroi inférieure définissant une cavité ménagée par un élément de maintien d'un noyau tel que défini ci-dessus. Il est ainsi aisé de fabriquer un secteur de stator dont la base comprend une partie recourbée dont l'espace intérieur a été, au moins en partie, ménagé par l'élément de maintien alors que cela n'aurait pas été possible sans celui-ci. Un tel élément recourbé peut être utilisé, par exemple, dans un joint d'étanchéité entre le stator et le rotor de la turbomachine.

L'invention concerne aussi un procédé de fabrication par fonderie à la cire perdue dans un moule d'injection de cire d'un secteur tel que défini ci-dessus, procédé innovant en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - positionnement dans le moule d'un noyau comprenant au moins un élément de maintien et une pluralité de pales reliées entre elles par ledit élément de maintien, - injection de cire dans le moule autour dudit noyau de sorte à créer un modèle en cire, - création d'un moule carapace en matière céramique autour dudit modèle en cire, - coulage de métal en fusion dans le moule carapace de sorte à remplacer la cire dans le moule carapace par ledit métal, - élimination du noyau.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront lors de la description qui suit faite en regard des figures annexées données à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables.

La figure 1 est une vue partielle en coupe longitudinale, selon la direction A-A, d'une turbine basse pression d'une turbine à gaz d'aéronef. La figure 2 est une vue partielle en coupe longitudinale, selon la direction A-A, de la turbine de la figure 1 au niveau des distributeurs 6 et 7.

La figure 3 est une vue en coupe transversale d'une aube de stator de la turbine de la figure 1. La figure 4 est une vue en perspective d'une première forme de réalisation d'un noyau de fonderie selon l'invention. La figure 5 est une vue partielle en perspective d'un élément de maintien selon l'invention. La figure 6 est une vue en perspective d'une seconde forme de réalisation d'un noyau de fonderie selon l'invention. La figure 7 est une vue en perspective d'un modèle brut comprenant le noyau de fonderie de la figure 6.

La figure 8 est une vue de dessous partielle en perspective du modèle de la figure 7. La figure 9 est une vue de dessous partielle en perspective du modèle de la figure 8 sans le noyau de fonderie. La figure 10 illustre le procédé de fabrication selon l'invention.

Sur la figure 1 est représentée partiellement une turbine basse pression 1 d'une turbomachine d'aéronef. Une telle turbine 1 comprend un stator 2 et un rotor 3 comprenant une pluralité d'aubes mobiles 3'. Le stator 2 comprend une pluralité de distributeurs 4 basses pressions (DBP) répartis selon la direction A-A.

Chaque distributeur 4 comprend une pluralité de secteurs annulaires. Chaque secteur annulaire comprend une pluralité d'aubes de stator 6, chacune des aubes 6 étant reliée d'une part à une plateforme radialement extérieure 7 et d'autre part à une plateforme radialement intérieure 8. La plateforme radialement intérieure 8 se présente ici sous la forme d'un élément de pied d'aube sensiblement en forme de H incliné à 90 °, comme illustré par la figure 3. Une aube 6 du stator 2 se présente sous la forme d'une pièce longiligne, métallique. Une telle aube 6 peut être pleine ou bien creuse. Dans ce dernier cas, comme illustrée par la figure 3, une cavité 10 est ménagée dans le centre de la pièce de sorte à alléger la masse de l'aube et donc globalement de la turbine à gaz et à permettre la circulation d'air radialement vers l'intérieure du moteur. Une telle aube 6 creuse présente un profil aérodynamique.

La fabrication d'une telle aube 6 creuse est réalisée par le procédé connu dit de fonderie à la cire perdue, décrit ci-après en référence à la figure 10. Dans un tel procédé, un noyau, par exemple en céramique, est placé, lors d'une étape Eo, dans un moule dans lequel de la cire est injectée. Un tel noyau a pour rôle d'occuper l'espace dans lequel seront ménagés des vides ou des cavités dans le produit fini.

Ainsi, une fois le noyau incorporé dans le moule, ce dernier est refermé puis de la cire est injectée dans une étape Ei, enrobant notamment le noyau, pour la réalisation du modèle brut du secteur de stator à fabriquer. L'étape suivante comprend la réalisation, lors d'une étape E2, d'un moule dit « carapace » à partir de matière céramique, autour du modèle et dans lequel du métal en fusion est coulé dans une étape E3. La cire est éliminée avant la coulée du métal en fusion et les évidements ainsi ménagés entre les différentes parties du noyau et entre le noyau et les parois du moule carapace sont remplis par le métal en fusion et forment les cloisons et parois du secteur de stator, les parties pleines du noyau devenant quant à elles des cavités après élimination du noyau céramique dans une étape E4. Sur la figure 4 est représenté un premier mode de réalisation d'un noyau 12a de fonderie selon l'invention. Le noyau 12a comprend ici 5 pales 14 longilignes prolongées chacune à leur extrémité distale, c'est-à-dire radialement extérieure, par une portée distale 16. Les pales 14 présentent ici la forme de la cavité 10, en référence à la figure 3. Les pales 14 sont reliées, à leur extrémité proximale, c'est-à-dire radialement intérieure, à un élément de maintien 18.

Un tel élément de maintien 18 des pales 14 est agencé pour relier les pales 14 entre elles et permettre leur maintien dans le moule de fonderie à la cire perdue. Ce maintien est réalisé ici par le biais de deux portées proximales 20 agencées pour être reçues chacune dans une douille dudit moule de sorte à maintenir le noyau 12a pendant l'étape d'injection de cire.

L'élément de maintien i8 se présente, comme représenté parla figure 5, sous la forme d'une plateforme de section transversale sensiblement en forme de U inversé et comprenant un rebord 21 s'étendant sensiblement perpendiculairement aux parois formant les branches du U.

La paroi 22 extérieurement radiale de l'élément de maintien i8 présente selon ce mode de réalisation une forme ondulée, complexe et tridimensionnelle, calculée pour permettre d'améliorer l'aérodynamisme de la plateforme radialement intérieure 8 en comparaison à une surface simplement tronconique.

La figure 6 illustre une deuxième forme de réalisation d'un noyau de fonderie 12b selon l'invention. Dans cette forme de réalisation, le noyau comprend les mêmes éléments que le noyau de la première forme de réalisation illustrée par la figure 4 à l'exception des portées distales i6 et comprend en outre, à la place des portées distales 16, un second élément de maintien 24 reliant les pales 14 au niveau de leurs extrémités distales. Ce second élément de maintien 24 se présenter ici sous la forme d'une pièce de section sensiblement en forme de U et permet de ménager des espaces au niveau de la plateforme radialement extérieure du secteur de stator correspondant. La figure 7 illustre un modèle 26 en cire comprenant le noyau 12b de la figure 6 autour duquel a été injecté, dans un moule, de la cire. La forme du moule permet de créer une plateforme 28 radialement intérieure à section sensiblement en forme de T et une plateforme 29 radialement extérieure sensiblement en forme de U inversé. Ainsi, la plateforme 28 du modèle est ici configurée pour matérialiser la plateforme radialement intérieure 8 d'un secteur après coulée du métal en fusion. Comme illustré par la figure 8, le noyau 12b de fonderie occupe un espace à l'intérieur du T de la plateforme 28 qui sera ménagé dans le modèle 26 une fois le noyau éliminé. Les deux portées 20 sont configurées, selon l'invention, pour être insérées chacune dans une douille du moule d'injection de cire dont la forme permet de créer la plateforme 28 en forme de T, forme qui n'aurait pas été faisable avec les solutions de l'art antérieur dans lesquelles chaque pale 14 du noyau de fonderie comprenait une portée qui devait être insérée dans une douille distincte. En effet, dans l'invention, l'élément de maintien 18 permet l'utilisation de seulement deux douilles espacées et disposées ici chacune près d'un bord latéral différent du secteur, ce qui permet un montage et un retrait aisés des portées sur les douilles, celles-ci étant plus facilement accessible et en nombre limité. Le noyau de fonderie 12b permet de conférer une forme ondulée à la paroi interne supérieure du T de la plateforme 28 pour améliorer l'aérodynamisme, comme illustré par la figure 9. Le noyau selon l'invention peut ainsi servir à ménager des cavités dans les aubes d'un secteur de stator pour alléger la masse dudit secteur et/ou pour permettre à un ou plusieurs flux d'air de refroidissement de circuler dans la ou les cavités ainsi ménagées.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Noyau de fonderie pour la fabrication d'un secteur de stator de turbine à gaz comprenant une pluralité d'aubes, entre une plateforme radialement intérieur et une plateforme radialement extérieure, à l'intérieur de chacune desquelles est ménagée une cavité interne, le noyau (12a, 12b) comprenant une pluralité de pales (14) pour la formation desdites cavités internes (10) dans chacune des aubes (6) du secteur et étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément de maintien (18) des pales (14) agencé pour relier les pales (14) entre elles.
2. 2. Noyau selon la revendication 1, dans lequel l'élément de maintien (18) comprend au moins une portée de maintien (20) du noyau (12a, 12b) agencée pour maintenir le noyau (12a, 12b) dans le moule de fonderie.
3. 3. Noyau selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque pale (14) est reliée par l'une de ses extrémités à l'élément de maintien (i8).
4. 4. Noyau selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque pale (14) est prolongée par une portée de maintien (i6) à l'une de ses extrémités.
5. 5. Noyau selon l'une des revendications précédentes 1 à 3, dans lequel le noyau (12a, 12b) comprend un second élément de maintien (24) reliant les pales (14) au niveau de leurs extrémités opposées à celles reliées par le premier élément de maintien (i8).
6. 6. Noyau selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément de maintien (18, 24) est en forme de U ou de U inversé.
7. 7. Noyau selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément de maintien (18, 24) comprend une paroi de forme ondulée tridimensionnelle.
8. 8. Secteur de stator de turbine à gaz comprenant une pluralité d'aubes (6), entre une plateforme radialement intérieure (8) et une plateforme radialement extérieure, à l'intérieur de chacune desquelles est ménagée une cavité interne (10), le secteur étant caractérisé en ce qu'il comprend une paroi définissant une cavitéménagée par un élément de maintien (18, 24) d'un noyau (12a, 12b) selon l'une des revendications 1 à 7.
9. 9. Secteur selon la revendication 8, ledit secteur comprenant en outre une plateforme (8) en forme de T. m. Procédé de fabrication par fonderie à la cire perdue dans un moule d'injection de cire d'un secteur selon l'une des revendications 8 et 9, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - positionnement (Eo) dans le moule d'un noyau (12a, 12b) comprenant au moins un élément de maintien (i8, 24) et une pluralité de pales (14) reliées entre elles par ledit élément de maintien (i8, 24), - injection de cire (Ei) dans le moule autour dudit noyau (12a, 12b) de sorte à créer un modèle en cire, - création (E2) d'un moule carapace en matière céramique autour dudit modèle en cire, - coulage (E3) de métal en fusion dans le moule carapace de sorte à remplacer la cire dans le moule carapace par ledit métal, - élimination (E4) du noyau (12a, 12b). 20