Domaine de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général des aubages de turbomachine, et plus particulièrement aux aubes creuses de turbine munies de circuits de refroidissement intégrés réalisées par la technique de la fonderie à la cire perdue.

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) alternant avec une ou plusieurs rangées d'aubes mobiles (appelées roues), espacées de façon circonférentielle tout autour du rotor de la turbine. Ces aubes de turbine qu'elles soient fixes ou mobiles sont soumises aux températures très élevées des gaz de combustion qui atteignent des valeurs largement supérieures à celles que peuvent supporter sans dommages des aubes en contact direct avec ces gaz.

Afin de résoudre ce problème, il est donc connu de munir ces aubes de circuits de refroidissement internes présentant des niveaux d'efficacité thermique élevés et visant à réduire la température de ces dernières en créant, à l'intérieur de l'aube, une circulation organisée de cet air (par exemple au moyen de cavités simples à alimentation directe ou de trombones munis de cavités montantes et descendantes) et, dans la paroi de l'aube, des perforations destinées à générer un film protecteur pour cette aube. Le débit d'air utilisé dans ces circuits de refroidissement est prélevé au niveau du compresseur haute pression du moteur, de sorte que ce prélèvement d'air dégrade la consommation spécifique du moteur. Il est donc particulièrement intéressant de minimiser ce débit d'air prélevé pour améliorer la consommation spécifique du moteur.

La figure 4 illustre schématiquement une partie de noyau 10 d'une aube de turbine haute pression de moteur à turbine à gaz comportant une surface aérodynamique ou pale 12 (en tracé fantôme) qui s'étend en direction radiale entre un pied d'aube (non représenté) et un sommet d'aube présentant une partie en forme dite de baignoire 18 constituée d'un fond 18A transversal à la pale et d'une paroi (ou muret 18B) formant son bord dans le prolongement de la paroi de la pale. La pale comprend une pluralité de cavités dont toutefois, pour les besoins de la description, seules quatre cavités latérales le long de la face intrados de l'aube et une cavité dite de « sous-baignoire » disposée en grande partie sous le fond de baignoire 18A sont illustrées par leur partie de noyau respective 22, 24, 26, 28, 30. Le noyau comporte également des premières tiges céramiques 32 - 40 s'étendant depuis les parois latérales (par exemple la paroi latérale 24A de la partie de noyau 24) des parties de noyau et destinées à former des perçages inclinés assurant le refroidissement du muret de baignoire 18B sur la face intrados de l'aube

Compte tenu de l'environnement dans lequel évoluent les moteurs à turbine à gaz, il est aussi nécessaire de munir les circuits de refroidissement précités de trous de dépoussiérage permettant l'évacuation hors de l'aube de particules ou poussières ingérées par le moteur et transportées dans l'air de refroidissement jusqu'à l'entrée des différentes cavités. Du fait de cette fonction, les trous de dépoussiérage présentent un diamètre nettement supérieur (dans un rapport d'environ 2 à 5) à celui des perçages inclinés de refroidissement. La figure 3 montre quatre de ces trous de dépoussiérage débouchant dans le fond de baignoire 18A et illustrés par des secondes tiges céramiques respectives 42 - 48 s'étendant verticalement depuis le sommet (par exemple le sommet 24B de la partie de noyau 24) des seules parties de noyau 22, 24, 28, 30 formant des cavités montantes. La cavité descendante 26 ne comporte en effet pas de trou de dépoussiérage.

La présence de ces trous de dépoussiérage n'est pas sans conséquence sur la consommation spécifique car le débit d'air de refroidissement évacué par ces trous n'est pas utilisé de la manière la plus efficace possible pour le refroidissement de l'aube. Cependant, il est impossible de les supprimer car alors le risque de créer des zones d'accumulation des poussières au niveau des cavités montantes devient trop important. Et la présence de telles zones d'accumulation de poussières est à l'origine de points chauds sur l'aube, de nature à engendrer des brûlures ou une oxydation locale accélérée de l'aube. Obiet et résumé de l'invention

La présente invention vise donc à pallier les inconvénients précités en proposant une aube de turbine creuse dont le prélèvement d'air de refroidissement est réduit pour améliorer la consommation spécifique du moteur.

A cet effet, il est prévu une aube de turbine creuse de turbomachine comportant une pluralité de cavités montantes communiquant d'une part avec une baignoire de l'aube par une pluralité de trous de dépoussiérage d'un diamètre standard destinée à l'évacuation de poussières et d'autre part par une pluralité de perçages de refroidissement inclinés destinée à refroidir un muret de ladite baignoire en débouchant sur une face intrados de l'aube, au moins une cavité montante dont un sommet est dépourvue d'un trou de dépoussiérage comprend un perçage de refroidissement incliné pratiqué dans sa paroi latérale et destiné à refroidir ledit muret de baignoire et dont le diamètre est agrandi pour présenter un diamètre au moins égal audit diamètre standard d'un trou de dépoussiérage et faire ainsi aussi office de trou de dépoussiérage, de sorte que le débit d'air prélevé pour le refroidissement de l'aube est réduit, aube caractérisée en ce que l'une au moins des cavités de l'aube disposée en regard dudit sommet de ladite au moins une cavité montante présente un volume augmenté correspondant au moins à un volume soustrait audit sommet de ladite au moins une cavité montante.

Par cette configuration qui optimise la forme et le positionnement d'un trou de dépoussiérage particulier, il est possible de refroidir une aube mobile de turbine haute pression avec un débit de refroidissement moins important mais avec la même efficacité thermique qu'une aube mobile classique. Le débit d'air évacué par les trous de dépoussiérage est ainsi utilisé pour refroidir par effet de film et de pompage le muret de baignoire intrados de l'aube, qui est une zone soumise aux températures élevées de l'air de la veine moteur et donc à de fortes contraintes thermiques.

Selon le mode de réalisation envisagé, le perçage de refroidissement incliné ainsi agrandi faisant aussi office de trou de dépoussiérage présente une inclinaison orientée vers la baignoire comprise entre 45 et 75°.

De préférence, ledit sommet de ladite au moins une cavité montante présente une forme concave, typiquement un plan incliné avec un angle sensiblement égal à celui dudit perçage de refroidissement incliné ou une marche d'escalier permettant d'orienter le flux dans le même sens que ledit perçage de refroidissement incliné.

Avantageusement, ledit perçage de refroidissement incliné ainsi agrandi est disposé au plus près dudit sommet de ladite au moins une cavité montante jusqu'à venir tangenter ledit sommet.

L'invention concerne également un noyau céramique utilisé pour la fabrication d'une aube de turbine creuse de turbomachine selon la technique de la fonderie à la cire perdue, l'aube comportant une pluralité de cavités montantes communiquant d'une part avec une baignoire de l'aube par une pluralité de trous de dépoussiérage destinée à l'évacuation de poussières et d'autre part par une pluralité de perçages de refroidissement inclinés destinée à refroidir un muret de ladite baignoire en débouchant sur une face intrados de l'aube, le noyau comportant :

- une pluralité de parties de noyau destinée à former ladite pluralité de cavités montantes,

- une pluralité de premières tiges céramiques d'un premier diamètre déterminé s'étendant depuis une paroi latérale de ladite pluralité de parties de noyau et destinée à former ladite pluralité de perçages de refroidissement, et

- une pluralité de secondes tiges céramiques d'un second diamètre déterminé s'étendant verticalement depuis un sommet de ladite pluralité de parties de noyau et destinée à former ladite pluralité de trous de dépoussiérage, ledit second diamètre déterminé étant supérieur audit premier diamètre déterminé,

caractérisé en ce qu'une partie de noyau destinée à former une cavité montante de l'aube est dépourvue à son sommet d'une seconde tige céramique destinée à former un trou de dépoussiérage et une première tige céramique destinée à former dans sa paroi latérale un perçage de refroidissement incliné faisant également office de trou de dépoussiérage afin d'assurer le refroidissement dudit muret de baignoire, présente un premier diamètre au moins égal audit second diamètre prédéterminé, et en ce que ladite partie de noyau présente à son sommet un volume soustrait et l'une au moins des autres parties de noyau de ladite pluralité de parties de noyau disposée en regard dudit sommet de ladite partie de noyau présente un volume augmenté correspondant au moins au dit volume soustrait au dit sommet de ladite au moins une cavité montante.

De préférence, ledit volume soustrait au sommet de ladite au moins une cavité montante présente une forme concave, typiquement un plan incliné ou une marche d'escalier dont l'inclinaison correspond à celle de ladite première tige céramique.

Avantageusement, ladite augmentation de volume est une partie en saillie centrée sur ladite partie de noyau avec une largeur et une hauteur sensiblement égales à celle dudit plan incliné sans toutefois dépasser le sommet de ladite partie de noyau.

L'invention concerne encore l'utilisation d'un tel noyau céramique pour la fabrication d'une aube de turbine creuse de turbomachine selon la technique de la fonderie à la cire perdue et toute turbine de turbomachine munie de plusieurs aubes de turbine creuses.

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 externe d'une aube mobile de turbine haute pression selon l'invention,

- la figure 2 est une vue schématique d'un premier exemple de réalisation d'une partie de noyau de l'aube de turbine de la figure 1,

- la figure 2A est une vue en coupe au niveau d'un perçage incliné de refroidissement et de dépoussiérage,

- la figure 3 est une vue schématique d'un second exemple de réalisation d'une partie de noyau de l'aube de turbine de la figure 1, et

- la figure 4 est une vue schématique d'une partie de noyau d'une aube de turbine de l'art antérieur. Description détaillée d'un mode de réalisation

La figure 1 illustre une aube creuse de turbine haute pression de turbomachine s'étendant classiquement radialement par rapport à un axe de rotation d'une roue mobile sur laquelle cette aube de turbine creuse est destinée à être enchâssée avec une pluralité d'autres.

L'aube comprend une pale 12 formant la surface aérodynamique de l'aube, une plateforme 14 supportant cette pale et un pied d'aube 16 portant l'ensemble et assurant son enchâssement au rotor de la roue de turbine (non représenté). La pale 12 comporte comme il est connu un bord d'attaque 12A, un bord de fuite 12B, une face intrados 12C et une face extrados (face cachée sur la figure). Au sommet de l'aube (correspondant à l'extrémité de tête opposée au pied d'aube) est disposée la baignoire 18 constituée du fond 18A transversal à la pale et du muret 18B formant son bord dans le prolongement de la paroi de la pale. L'aube comporte également des perforations (perçages sur les deux faces ou fentes sur le bord de fuite) destinées à générer un film d'air de refroidissement protecteur pour cette aube. Le nombre et la position des perforations sont optimisés pour maximiser le refroidissement dans les zones les plus sensibles à la chaleur des gaz de combustion dans lesquelles ces aubes sont plongées et notamment pour sa face intrados 12C qui subit les plus fortes contraintes thermiques.

Pour ne pas surcharger la figure et assurer une meilleure compréhension de l'invention, seules les perforations en rapport avec l'invention ont été représentées, à savoir les perçages inclinés 20A à 20D assurant le refroidissement du muret de baignoire 18B en débouchant sur la face intrados 12C de l'aube et les trous de dépoussiérage 21A à 21C permettant l'évacuation des poussières.

La figure 2 représente une partie d'un noyau céramique 10 destiné à la réalisation de l'aube mobile de la figure 1. Ce noyau ne montre en effet, dans l'exemple illustré, que cinq parties de noyau ou colonnes pouvant être montantes ou descendantes. La première colonne montante 22 est par exemple destinée à former, une fois l'aube achevée, une cavité latérale de l'aube (référencée 23 sur la figure 1) recevant un premier flux d'air de refroidissement amené par une première canalisation alors que les trois autres colonnes adjacentes faisant un aller-retour sur la face intrados (avec deux colonnes montantes 24, 28 et une, au centre, descendante 26) sont destinées à former des cavités latérales de l'aube (référencées respectivement 25, 29 et 27 sur la figure 1) qui peuvent recevoir un second flux d'air de refroidissement amené par une autre canalisation par exemple. La dernière partie de noyau 30 est destinée à former une cavité dite de « sous-baignoire » (référencée 31 sur la figure 1) disposée en grande partie sous le fond de baignoire 18A.

Le noyau comporte également les premières tiges céramiques 32, 36, 38, 40 s'étendant depuis une paroi latérale (par exemple 24A) des colonnes montantes et destinées à former les perçages inclinés assurant le refroidissement du muret de baignoire 18B sur la face intrados de l'aube et les tiges secondes céramiques 42, 46, 48 s'étendant verticalement depuis le sommet (par exemple 24B) de ces colonnes montantes et destinées à former les trous de dépoussiérage permettant l'évacuation dans la baignoire des poussières traversant avec l'air de refroidissement les cavités montantes 23, 29, 31 formées à partir de ces colonnes.

Un tel noyau céramique multi-cavités comporte bien entendu d'autres parties de noyau destinées à former d'autres cavités non représentées comme une cavité située dans la partie de l'aube près du bord d'attaque 12A et une ou plusieurs cavités se succédant en ligne dans la partie de l'aube près du bord de fuite 12B, toutes permettant l'acheminement de l'air de refroidissement depuis le pied d'aube 16 vers des parties d'aube associées à refroidir. Les tiges céramiques permettent quant à elles de créer les perçages inclinés par lequel cet air passe pour atteindre la paroi de la pale ou évacuer les poussières pour celles destinées à former les trous de dépoussiérage. Les colonnes sont séparées les unes des autres par des espacements déterminés laissant ainsi la place pour la création d'une paroi inter-cavités pleine lors de la coulée du métal fondu.

Conformément à l'invention, au moins l'une des cavités montantes est dépourvue à son sommet d'un trou de dépoussiérage et le perçage de refroidissement incliné (avec une inclinaison orientée vers la baignoire de l'ordre de 45 à 75°), pratiqué dans sa paroi latérale près du sommet de cette cavité et destiné normalement à refroidir le muret de baignoire en débouchant sur la face intrados de l'aube, est agrandi dans un rapport de 2 à 5 pour faire également office de trou de dépoussiérage, de sorte que le débit d'air prélevé pour le refroidissement est ainsi réduit. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention illustré à la figure 2, la cavité dépourvue de trou de dépoussiérage est la cavité montante 25. Cependant, les autres cavités montantes 23 et 29 peuvent elles aussi être dépourvues de trou de dépoussiérage dans la mesure où ces cavités montantes sont positionnées à côté de la cavité de sous- baignoire 31 (par exemple la figure 3 avec les cavités 23 et 25).

En effet, le diamètre de ce perçage de refroidissement et de dépoussiérage 51 (correspondant à une tige céramique 50) doit être bien supérieur au diamètre d'un perçage de refroidissement standard qui, comme il a été indiqué précédemment est classiquement nettement inférieur, afin d'assurer, outre le refroidissement, la bonne évacuation des poussières circulant dans l'air de refroidissement interne. Comme illustré et pour assurer un dépoussiérage efficace, ce perçage est disposé au plus près du sommet fermé de la cavité montante, jusqu'à venir quasiment tangenter ce sommet, et peut éventuellement être rapproché du muret de baignoire 18B. De préférence, le diamètre du perçage incliné de refroidissement et de dépoussiérage est choisi au moins égal au diamètre d'un trou de dépoussiérage standard.

Toutefois, pour assurer correctement le dépoussiérage de la cavité à l'aide de ce perçage incliné, il est nécessaire d'incliner le sommet de la cavité montante avec un angle sensiblement identique à celui de ce perçage incliné (c'est-à-dire à plus ou moins 5° près). L'inclinaison du sommet de la cavité montante permet ainsi de guider les poussières résiduelles vers le perçage incliné et d'éviter la formation de zones d'accumulation de particules au sommet de cette cavité. En pratique, cette inclinaison du sommet de la cavité montante peut prendre toute forme concave comme une marche d'escalier, permettant d'orienter le flux dans le même sens que le perçage incliné. Cependant, la création d'un plan incliné en sommet de cavité en soustrayant un volume de noyau entraine une augmentation locale de quantité de matière correspondante en haut de pale par rapport à une configuration standard telle qu'illustrée à la figure 4, laquelle est défavorable pour la tenue mécanique de l'aube car de nature à engendrer un phénomène de fluage.

Aussi, afin de ne pas dégrader la durée de vie mécanique de l'aube, il est nécessaire de corriger cette augmentation locale de quantité de matière dû à la réduction de la partie haute de la colonne 24 par l'adjonction d'une extension de noyau 52 disposée le plus proche possible de la cavité montante avec le plan incliné et générant une augmentation du volume de la partie de noyau de sous-baignoire 30 située en regard du plan incliné réalisé au sommet 24A de la colonne montante 24.

Comme le montrent les figures 2 et 2A, cette augmentation de volume de la partie de noyau de sous-baignoire 30 est sensiblement égale (c'est-à-dire à plus ou moins 10%) au volume issu de l'introduction du plan incliné en sommet de la colonne montante 24 et est de préférence une partie en saillie centrée sur la colonne montante avec une largeur et une hauteur sensiblement égales à celles du plan incliné (c'est-à-dire à plus ou moins 10%), le niveau haut de cette extension de noyau 52 ne dépassant pas celui de ce plan incliné, pour assurer un comportement mécanique similaire à la configuration initiale.

La figure 3 illustre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel, non pas une mais deux cavités montantes 23 et 25, sont pourvus de perçages de refroidissement et de dépoussiérage correspondant à des tiges céramiques 50 et 54 des colonnes 22 et 24. Comme dans le mode de réalisation préférentiel, ces deux perçages sont disposés au plus près du sommet des deux cavités montantes. Le diamètre de ces perçages inclinés de refroidissement et de dépoussiérage est choisi au moins égal au diamètre d'un trou de dépoussiérage standard auxquels ils se substituent. Pareillement, le sommet de chacune des deux cavités montantes 23, 25 présente un angle sensiblement identique à celui des perçages inclinés, c'est-à-dire de l'ordre de 45 à 75°. Comme précédemment, il est nécessaire de corriger l'augmentation locale de quantité de matière dû à la réduction de la partie haute des colonnes 22 et 24 par l'adjonction d'une extension de noyau 52 disposée le plus proche possible de ces cavités montantes à plans inclinés et dont le volume est sensiblement égal au volume issu de l'introduction des deux plans inclinés en sommet des colonnes montantes 22 et 24. Cette extension de noyau est de préférence une partie en saillie s'étendant sur les deux colonnes montantes avec une hauteur sensiblement égale à celle des plans inclinés, le niveau haut de cette extension de noyau ne dépassant pas celui de ces plans inclinés.

Avec l'invention, le transfert thermique conducto-convectif qui s'effectue dans le perçage entre l'air de refroidissement et les parois métalliques environnantes assure un refroidissement par effet de pompage de la zone en sommet d'aube en général et du muret de baignoire intrados en particulier. L'abaissement local de la température de l'air dans la veine et l'augmentation du coefficient d'échange thermique, proche de la paroi dans les zones situées juste en aval des perçages, sous l'effet de l'émission d'air de refroidissement par les perçages, assure un refroidissement par effet de film, au contraire d'un trou de dépoussiérage classique où compte-tenu de l'angle d'émission de l'air de refroidissement par rapport à la paroi de l'aube, seul l'effet de pompage contribue au refroidissement de la zone en sommet d'aube.

On notera que l'inclinaison des trous de refroidissement et de dépoussiérage doit être suffisante (de préférence supérieure à 45°) pour profiter du refroidissement par effet de film sans toutefois l'être trop (de préférence inférieure à 75°) pour des raisons de fabrication selon la technique de la fonderie à la cire perdue.