FR3066783A1 - Chemise pour aube de turbine a refroidissement optimise - Google Patents
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Abstract
Chemise de refroidissement (30) pour le refroidissement d'une pièce creuse dans laquelle elle est destinée à être insérée, comportant un corps creux longitudinal (32) surmonté par une collerette (34) destinée à être solidarisée à sa périphérie de façon étanche avec cette pièce creuse, la collerette comportant une pluralité de perforations (34A, 34B, 34C) pour séparer un flux principal d'air de refroidissement Ft alimentant la chemise de refroidissement en deux flux secondaires séparés, un premier secondaire flux d'air de refroidissement Fc traversant le corps creux longitudinal au niveau d'une cavité centrale (32A) pour être évacué vers l'extérieur et un second flux secondaire d'air de refroidissement F1, F2, F3 traversant les perforations et circulant autour du corps creux longitudinal.
Description
Domaine de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des aubages de turbine de turbomachine, et plus particulièrement aux aubes de turbine munies de chemises de refroidissement.
Art antérieur
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 de la chambre de combustion et alimentent ensuite une turbine haute pression et une turbine basse pression. Chaque turbine comporte une ou plusieurs rangées d'aubes fixes (appelées distributeurs) formant stator alternant avec une ou plusieurs rangées d'aubes mobiles (appelées roues mobiles), espacées de façon circonférentielle tout autour du rotor de la turbine. Les aubes fixes de turbine sont soumises aux températures très élevées des gaz de combustion, lesquelles atteignent des valeurs largement supérieures à celles que peuvent supporter sans dommages les aubes qui sont en contact direct avec ces gaz, ce qui a pour conséquence de limiter leur durée de vie.
Aussi, afin d'en réduire la température, il est connu de munir ces aubes fixes de chemises de refroidissement perforées.
Les figures 2 et 3 représentent un secteur de distributeur conventionnel 10 de moteurs aéronautiques comportant une pluralité d'aubes fixes 12 formant une grille redressant le flux d'air F traversant la veine de gaz moteur délimitée par une virole ou plate-forme externe 14 et une virole ou plate-forme interne 16 supportant les aubes fixes 12. L'aube creuse 12 comporte une chemise de refroidissement 18 qui définit une cavité périphérique annulaire 20 entre la paroi interne de l'aube et l'extérieur de la chemise (Sur la figure 2 et dans un souci de meilleure compréhension, la chemise 18 la plus à gauche a été illustrée extraite partiellement de la cavité 20). A sa partie supérieure 18A en forme de collerette, la chemise est fixée de façon étanche sur la plateforme externe de l'aube par soudure ou brasure et sa partie d'extrémité inférieure 18B vient s'encastrer dans la plate-forme interne de l'aube au niveau d'une zone de guidage 16A, en laissant un jeu déterminé nécessaire au montage et au coulissement de la chemise sous les effets de la dilatation thermique. Selon la configuration envisagée, des plots 22 solidaires de la paroi interne ou formés par des bossages de la chemise maintiennent un écartement constant entre la chemise et cette paroi interne.
La chemise 18 est du type multi-perforée de sorte que le débit d'air de refroidissement délivré par une source d'air sous pression, en général le compresseur de la turbomachine, pénètre dans la plate-forme externe 14 par un orifice d'entrée 24, arrive à l'intérieur de la chemise 18 et s'échappe en partie par la multi-perforation de la chemise en formant dans la cavité périphérique 20 des jets d'air qui refroidissent par impact (ou via des ailettes 26 formant perturbateurs) la paroi interne de l'aube 12, puis sont évacués par des perçages calibrés réalisés sur le bord de fuite ou sur la face intrados de cette pale afin de former un film d'air protecteur (des pontets non représentés peuvent être prévus à l'intérieur de l'aube pour y aménager la circulation de cet air de refroidissement). Le débit d'air restant sort de la chemise par la plate-forme interne 16 qu'il traverse en la refroidissant pour s'échapper par un orifice de sortie 28 à l'extérieur de l'aube vers d'autres organes du moteur à refroidir et notamment les disques de turbine (purges haute ou basse pression).
Cette configuration présente toutefois des inconvénients liés au fait que ce refroidissement par impact (ou percussion) dans des zones bien spécifiques de l'aube, son bord de fuite et son bord d'attaque notamment, crée des gradients thermiques très importants entre le flux froid et la zone chaude impactée qui ont pour effet de charger d'autres zones et de provoquer leur usure prématurée. De plus, il est difficile d'assurer un transfert de l'air de refroidissement vers les disques de turbines à la bonne pression et à la bonne température.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention vise donc à pallier les inconvénients liés à cette création inappropriée de gradients thermiques en proposant une chemise de refroidissement qui évite cette usure prématurée de l'aube. L'invention a aussi pour objet de réaliser une aube dont la géométrie et donc le processus de fabrication est très peu modifié par rapport au processus de fabrication traditionnelle en fonderie, de façon à éviter toute dégradation dans la tenue mécanique générale de cette aube. Elle vise enfin toute turbine de turbomachine équipée de telles aubes à chemise de refroidissement améliorée. A cet effet, il est prévu une chemise de refroidissement pour le refroidissement d'une pièce creuse dans laquelle elle est destinée à être insérée, comportant un corps creux longitudinal terminé par une extrémité libre et surmonté par une collerette destinée à être solidarisée à sa périphérie de façon étanche avec ladite pièce creuse, caractérisée en ce que ladite collerette comporte une pluralité de perforations pour séparer un flux principal d'air de refroidissement Ft alimentant ladite chemise de refroidissement en deux flux secondaires séparés, un premier secondaire flux d'air de refroidissement Fc traversant ledit corps creux longitudinal au niveau d'une cavité principale pour être évacué au travers de ladite extrémité libre et un second flux secondaire d'air de refroidissement Fl, F2, F3 traversant lesdites perforations et circulant autour dudit corps creux longitudinal.
De la sorte, on assure par simple convection une bonne ventilation de la pièce creuse dans laquelle la chemise est insérée et par le passage d'air dans la cavité centrale on remplit les conditions de température, pression et débit désirées pour le refroidissement d'éléments externes à cette pièce creuse, par exemple des disques de turbine dans le cas où cette pièce creuse est une aube de distributeur de turbomachine. La structure de la chemise s'en trouve simplifiée par la suppression de sa multi-perforation sans modifier le processus de fabrication de la pièce creuse dans laquelle la chemise est insérée.
De préférence, ladite cavité principale est une cavité centrale de forme sensiblement oblongue et disposée en position centrée.
Selon le mode de réalisation envisagé, ladite collerette comporte deux perforations disposées à deux extrémités de ladite cavité centrale et de préférence au moins une perforation latérale disposée sur un flanc de ladite cavité centrale.
Avantageusement, ledit premier flux secondaire d'air de refroidissement Fc représente 55 à 65% dudit flux principal d'air de refroidissement Ft et préférentiellement 60%. L'invention concerne également une pièce creuse comportant une chemise de refroidissement telle que précitée définissant une cavité annulaire entre une paroi extérieure de ladite chemise de refroidissement et une paroi interne de ladite pièce creuse, ledit flux principal d'air de refroidissement Ft étant introduit dans ladite pièce creuse pour d'une part, en traversant lesdites perforations, assurer son refroidissement interne et pour d'autre part, en traversant ladite cavité principale, évacuer une partie de cet air de refroidissement à l'extérieur de ladite pièce creuse.
Ladite pièce creuse forme avantageusement une aube fixe de distributeur de turbomachine, l'air de refroidissement traversant ladite cavité principale étant destiné à refroidir un disque portant ladite aube fixe. L'invention concerne enfin toute turbine de turbomachine munie d'une pluralité d'aubes fixes telles que précitées.
Brève description des dessins 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 et sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une chemise d'une aube de distributeur de turbine selon l'invention, - la figure IA est une vue en coupe d'une aube munie de la chemise de la figure 1, -la figure 2 est une vue en perspective d'une partie de distributeur de turbine de l'art antérieur, et - la figure 3 est une vue en coupe du distributeur de la figure 2.
Description détaillée d'un mode de réalisation
On notera tout d'abord que si l'invention telle que décrite est appliquée aux aubes fixes de distributeurs basse pression, elle peut bien entendu être facilement adaptée à n'importe quelle autre pièce nécessitant un refroidissement interne (plus généralement toute pièce creuse devant être ventilée).
Conformément à l'invention, il est proposé de changer la façon de répartir l'air de refroidissement dans cette pièce creuse en favorisant la convection pour refroidir les parois chaudes de la pièce tout en gardant une cavité centrale naturellement éloignée de ces parois chaudes pour diriger un air plus frais en direction de zones externes à cette pièce, en l'espèce, les disques de turbine basse pression lorsque cette pièce creuse est une aube fixe de distributeur de turbomachine.
Ainsi, si l'on considère le flux total de refroidissement disponible, la présente invention permet par la configuration innovante de la chemise de refroidissement de séparer ce flux principal en deux flux secondaires : l'un traversant la chemise de refroidissement, et allant directement à l'extérieur vers les disques de turbine et l'autre circulant à l'intérieur de l'aube, autour de la chemise de refroidissement, avant d'être expulsé par le bord de fuite et/ou le bord d'attaque pour le ou les refroidir par la formation d'un film d'air protecteur. Cette configuration permet de respecter les critères de purge, de refroidissement des disques et de refroidir le bord d'attaque et/ou le bord de fuite, tout en évitant de privilégier un type particulier de dégradation thermique comme dans les dispositifs de l'art antérieur.
On a rappelé en préambule de la présente demande qu'une aube fixe de distributeur de turbine est montée entre une plate-forme externe et une plate-forme interne, la plate-forme externe définissant une paroi externe pour la veine d'écoulement des gaz de combustion au travers de la turbine et la plate-forme interne une paroi interne pour cette même veine d'écoulement. Une telle aube fixe de structure creuse est soumise aux températures très élevées des gaz de combustion et nécessite donc d'être refroidie. A cet effet et comme illustrée aux figures 1 et IA, l'aube 12 comporte une chemise de refroidissement 30 comprenant d'une part un corps creux longitudinal 32 terminé par une extrémité libre 33, alimenté en air de refroidissement par un premier flux d'air secondaire Fc entrant à une première extrémité dans une cavité principale 32A de ce corps et sortant par cette extrémité libre, et qui définit une cavité périphérique annulaire 20 entre la paroi interne de l'aube et la paroi extérieure de la chemise et d'autre part une collerette perforée 34 surmontant ce corps creux et agencée pour fixer cette chemise de façon étanche sur la plateforme externe 14 de l'aube par soudure ou brasure et alimentée en air de refroidissement par un second flux d'air secondaire Fl, F2, F3 traversant ses perforations 34A, 34B, 34C, l'ensemble de ces flux d'air secondaires formant le flux d'air principal Ft. Le premier flux d'air secondaire Fc représente 55 à 65% du flux d'air principal Ft et préférentiellement 60%. La cavité principale est avantageusement de forme sensiblement oblongue et disposée en position centrée.
La collerette est de préférence obtenue par formage de la tôle constituant la chemise mais elle pourrait également être rapportée sur le corps de cette chemise et elle comporte les différentes perforations permettant le passage du second flux d'air secondaire. Plus particulièrement, une première perforation 34A pratiquée dans le prolongement d'une première extrémité de la cavité principale 32A formant la partie interne de la chemise permet le passage d'un premier flux Fl d'air de refroidissement proportionnel à la section de cette ouverture. De même, une deuxième perforation 34B pratiquée dans le prolongement d'une autre extrémité de la cavité principale permet le passage d'un deuxième flux F2 d'air de refroidissement proportionnel à la section de cette ouverture et éventuellement une troisième perforation 34C (représentée en pointillés sur la figure) pratiquée sur un des deux flancs de la cavité principale permet le passage d'un troisième flux F3 d'air de refroidissement proportionnel également à la section de cette ouverture. Plus généralement, ces perforations dont le nombre n'est pas limité sont pratiquées dans les espaces disponibles de la collerette autour de la cavité principale 32A à l'exception bien entendu de la périphérie 34D de la collerette nécessaire à sa fixation de façon étanche à la plate-forme externe. L'air de refroidissement introduit dans la cavité principale 32A de la chemise ressort quant à elle directement à sa partie inférieure pour assurer la purge des disques de turbine.
Ainsi, en séparant le refroidissement de l'aube de celle des disques de turbine, il peut être tenu compte des besoins spécifiques en température, pression et débit tant de l'aube que des disques permettant alors un refroidissement optimisé.
Avec l'invention, on peut noter que le processus de fabrication de l'aube n'a pas à être modifié, seule la configuration de la chemise étant changée de façon mineure, son processus de fabrication par emboutissage et brassage n'étant pas non plus modifié. En outre, cela permet d'alimenter les disques de turbine avec une température et un débit permettant d'étendre leur durée de vie par rapport à une aube sans chemise sans changer le débit d'air de refroidissement (pas de variation de la purge). Cela permet aussi d'augmenter la durée de vie de l'aube par une diminution des criques et des brûlures. L'invention permet donc de cumuler les bienfaits des deux solutions (avec et sans chemise) habituellement utilisées pour de telles pièces creuses ventilées sans ajouter de complexification de fabrication et sans changer le dessin de pièces ayant fort impact industriel et en restant interchangeable avec les pièces déjà en mises en œuvre (ce « retrofit » pouvant par exemple être effectué lors d'une opération de maintenance). De plus, dans le cas des distributeurs de turbomachines, le cycle de fabrication de la chemise s'en trouve diminué du fait de l'absence de multi-perforation sur cette chemise.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Chemise de refroidissement (30) pour le refroidissement d'une pièce creuse (12) dans laquelle elle est destinée à être insérée, comportant un corps creux longitudinal (32) terminé par une extrémité libre (33) et surmonté par une collerette (34) destinée à être solidarisée à sa périphérie de façon étanche avec ladite pièce creuse, caractérisée en ce que ladite collerette comporte une pluralité de perforations (34A, 34B, 34C) pour séparer un flux principal d'air de refroidissement Ft alimentant ladite chemise de refroidissement en deux flux secondaires séparés, un premier flux secondaire d'air de refroidissement Fc traversant ledit corps creux longitudinal au niveau d'une cavité principale (32A) pour être évacué au travers de ladite extrémité libre et un second flux secondaire d'air de refroidissement Fl, F2, F3 traversant lesdites perforations et circulant autour dudit corps creux longitudinal.
- 2. Chemise de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite cavité principale est une cavité centrale de forme sensiblement oblongue et disposée en position centrée.
- 3. Chemise de refroidissement selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite collerette comporte deux perforations (34A, 34B) disposées à deux extrémités de ladite cavité centrale.
- 4. Chemise de refroidissement selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite collerette comporte en outre au moins une perforation latérale (34C) disposée sur un flanc de ladite cavité centrale.
- 5. Chemise de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit premier flux secondaire d'air de refroidissement Fc représente 55 à 65% dudit flux principal d'air de refroidissement Ft et préférentiellement 60%.
- 6. Pièce creuse (12) comportant une chemise de refroidissement selon l'une quelconque des revendication 1 à 5 définissant une cavité annulaire (20) entre une paroi extérieure de ladite chemise de refroidissement et une paroi interne de ladite pièce creuse, ledit flux principal d'air de refroidissement Ft étant introduit dans ladite pièce creuse pour d'une part, en traversant lesdites perforations, assurer son refroidissement interne et pour d'autre part, en traversant ladite cavité principale, évacuer une partie de cet air de refroidissement à l'extérieur de ladite pièce creuse.
- 7. Pièce creuse selon la revendication 6 formant une aube fixe de distributeur de turbomachine, l'air de refroidissement traversant ladite cavité principale étant destiné à refroidir un disque portant ladite aube fixe.
- 8. Distributeur de turbomachine comportant une pluralité d'aubes fixes selon la revendication 7.
- 9. Turbomachine comportant un distributeur de turbomachine selon la revendication 8.
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