DESCRIPTION

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne le domaine des turbomachines et plus particulièrement des systèmes de refroidissement des éléments de turbomachine

ETAT DE LA TECHNIQUE

Au sein d’une turbomachine, les pièces sont soumises à de très fortes contraintes thermiques. Pour éviter que certains éléments ne cassent ou ne s’usent prématurément, il est nécessaire de les refroidir durant le fonctionnement de la turbomachine.

C’est notamment le cas des distributeurs haute pression, des aubes directrices d’entrée, et des aubes statoriques variables.

Actuellement, on connaît plusieurs méthodes de refroidissement de ces éléments, parmi lesquelles :

- Insert multi-percé rapporté (impact) : Avec cette technologie (représentée sur les figures 1 et 2), l’air de ventilation est guidé à haute vitesse par des perçages (trous d’impacts réalisés dans un insert) sur la pièce à ventiler.

- Circuit interne type serpentin : Avec cette technologie (représentée sur la figure 3), l’air de ventilation est guidé au travers de la pièce à refroidir afin de réaliser un échange convectif. Il est évacué dans la veine principale (gaz chaud) via des évents.

- Perturbateurs (pontets/ailettes) : Avec cette technologie (représentée sur la figure 4), le parcours de l’air de ventilation peut être partiellement obstrué par des perturbateurs afin de réaliser des échanges thermiques locaux entre les perturbateurs et l’air de ventilation (+accélération de l’air pour augmenter l’échange convectif). Ces perturbateurs peuvent également servir à relier thermiquement l’intrados et l’extrados d’une pale.

En outre, il est connu du document FR3085713 d’intégrer des capillaires de refroidissement dans une aube (ou une pale). Ces capillaires traversent l’aube et permettent ainsi une circulation d’air au travers de l’aube.

Ce système permet un refroidissement efficace mais n’est pas optimal dans le cas d’une réalisation de l’élément (aube, pale ou distributeur) en fabrication additive.

En effet, une aube (ou une pale) pouvant être une pièce creuse, lors de sa réalisation en fabrication additive, il peut être nécessaire d’intégrer un support de fabrication, dans l’aube. En fonction du sens de fabrication, le support permet de soutenir la matière déposée, par exemple pour réaliser l’une des faces externes de l’aube.

Or, pour de nombreux éléments d’une turbomachine, la fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre impose un sens de fabrication dans l’axe de la turbine. Dans ce contexte, une pale faisant beaucoup de déviations et évidée ne peut pas être réalisée en une seule pièce sans supports. Il est donc indispensable d’ajouter des supports de fabrication dans la pale. Cependant, ces supports qui ne sont pas initialement prévus peuvent interférer avec les capillaires, et dégrader potentiellement les performances intrinsèques de la pièce. De plus certains capillaires non supportés peuvent être obstrués et inaccessibles à l’issue du procédé de fabrication additive.

Dans ce contexte, il est nécessaire de fournir un élément de turbomachine comprenant une pale présentant une structure adaptée pour être refroidie et pour être réalisée en fabrication additive.

EXPOSE DE L’INVENTION

Selon un premier aspect, l’invention propose un élément de turbomachine, comprenant au moins une pale obtenue par fabrication additive, la pale présentant une peau et un treillis interne permettant une circulation d’air dans la pale et ayant une fonction de support de fabrication additive de la peau.

Le treillis peut présenter une densité variable.

Le treillis peut présenter une densité plus importante à proximité de la peau.

La pale peut présenter au moins un insert positionné dans le treillis.

L’insert peut présenter au moins une ouverture permettant une circulation d’air vers la peau.

Le treillis peut comprendre une portion interne et une portion externe, séparées par l’insert.

L’élément peut présenter deux parois de veine circonférentielles entre lesquelles ladite au moins une pale s’étend selon une direction radiale à un axe principal de la turbomachine, la peau formant deux parois tangentielles de ladite au moins une pale.

La pale peut présenter des ouvertures s’étendant dans un plan perpendiculaire à la direction radiale. La pale peut ne pas présenter de paroi s’étendant suivant un plan perpendiculaire à la direction radiale.

L’élément peut être choisi parmi un distributeur haute pression, une aube directrice d’entrée, une aube statorique variable.

Selon un second aspect, l’invention propose une turbomachine d’aéronef, la turbomachine comprenant un élément selon le premier aspect.

Selon un troisième aspect, l’invention propose un aéronef comprenant une turbomachine selon le second aspect.

Selon un quatrième aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’un élément de turbomachine selon le premier aspect, le procédé comprenant la fabrication additive d’une peau d’une pale de l’élément en utilisant un treillis comme support, le treillis s’étendant dans la pale à l’issue de la fabrication.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

[Fig. 1] La figure 1 est une représentation d’un dispositif de l’art antérieur.

[Fig. 2] La figure 2 est une représentation d’un dispositif de l’art antérieur.

[Fig. 3] La figure 3 est une représentation d’un dispositif de l’art antérieur.

[Fig. 4] La figure 4 est une représentation d’un dispositif de l’art antérieur.

[Fig. 5] La figure 5 est une représentation d’un dispositif de fabrication additive connu.

[Fig. 6] La figure 6 est une représentation en coupe radiale, sensiblement perpendiculaire à l’écoulement destiné à s’écouler autour de la pale, d’une pale selon l’invention.

[Fig. 7] La figure 7 est une représentation éclatée d’une pale selon l’invention.

[Fig. 8] La figure 8 est une représentation agrandie d’une portion d’une pale selon l’invention.

[Fig. 9] La figure 9 est une représentation en coupe, dans un plan sensiblement circonférentiel, d’une portion d’une pale selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Contexte d’une turbomachine

Selon un premier aspect, l’invention propose un élément 1 de turbomachine, comprenant au moins une pale 2 obtenue par fabrication additive.

La turbomachine peut être par exemple un turboréacteur d’avion à double flux bien connu de l’homme de l’art, comprenant de manière conventionnelle une soufflante (communément appelée « fan »), un compresseur, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. Dans le cas de turbomachines à double flux, la soufflante a des dimensions importantes par rapport aux autres composants, et le flux d’air traversant notamment la chambre de combustion et les turbines haute et basse pression représente une faible portion du flux d’air total traversant la soufflante. Une partie du flux d’air traversant la soufflante est donc directement expulsé, tandis qu’une autre partie traverse le compresseur, la chambre de combustion, et les turbines haute et basse pression.

Pale

Comme indiqué précédemment, l’invention concerne un élément 1 comprenant une pale 2. Typiquement, la pale 2 présente une peau 4 et un treillis 6. Il est précisé qu’en condition d’usage, la pale 2 est destinée à être refroidie par de l’air ou un gaz plus froid que les gaz chauds circulants dans une veine de la turbomachine.

La peau 4 est une enveloppe externe de la pale 2. D’une manière classique la pale 2 présente une géométrie avec un bord d’attaque 7, un bord de fuite 8, un intrados 10 et un extrados 12. Tel que cela sera décrit ci-après, la pale 2 selon l’invention est préférentiellement fabriquée selon un procédé de fabrication additive.

Ainsi, l’ensemble des élément constituants la pale 2 (la peau, le treillis et l’insert qui sera présenté ci-après) sont réalisés en fabrication additive et sont liés les uns aux autres de sorte à former une seule et même pièce monobloc.

En d'autres termes, la pale 2 fabriquée en fabrication additive n’est pas constituée de plusieurs pièces assemblées, mais est une pièce monobloc comprenant plusieurs éléments.

Notamment, la pale 2 comprend un treillis 6 interne liée à la peau 4. Le treillis 6 permet de soutenir la peau 4 pour garantir la résistance mécanique de la pale 2.

En sus, tel que cela sera décrit ci-après, le treillis 6 permet une circulation d’air dans la pale 2 et a une fonction de support de fabrication additive de la peau 4. Cette double fonction du treillis 6 est une disposition technique particulièrement avantageuse de l’invention. En effet, le treillis 6 est un support de fabrication économique car il présente des zone vide et nécessite donc moins de matière pour sa fabrication qu’un élément plein. En outre, l’utilisation d’un treillis 6 comme ossature de la pale 2 permet à la fois de garantir la tenue mécanique de la pale tout en permettant un refroidissement interne optimal. En effet, le treillis 6 présentant de nombreuses zones vides 14, de l’air peut circuler de manière satisfaisante dans le treillis.

Il est précisé que par treillis 6, il est entendu une structure en lattice, c’est-à-dire une structure architecturée composée d'un matériau et de zones vides. En d’autres termes le treillis est un maillage en matériau (typiquement un alliage métallique) constitué d’un réseau de structures solides 16 (par exemple en alliage métallique) et de zone vides 1 entres les structures. Par zone vide 14, il est entendu des zones sans matière solide consolidée par fabrication additive. Plus précisément, dans ces zones vides 14, de la poudre est déposée lors de la fabrication. Mais, cette poudre n’est pas fusionnée, puis est retirée à l’issue de la fabrication. Typiquement les zones vides 14 sont remplies d’un gaz composant l’atmosphère dans laquelle se situe le treillis 6. Typiquement, lors de la fabrication les zones vides 14 peuvent être remplies d’un gaz neutre ou d’air terrestre ambiant (i.e. un mélange gazeux composé essentiellement d’azote, de dioxyde de carbone et de dioxygène). Par réseau de structures solides 16, il est entendu une répétition d’une maille élémentaire dans les trois directions de l’espace formant un quadrillage, la maille élémentaire étant de géométrie quelconque et comprenant un motif fermé.

D’une manière avantageuse, le treillis 6 peut présenter une densité variable. Par densité variable, il est entendu que la quantité de matériau et les dimensions du maillage varient dans le lattice. Ainsi, une zone de densité plus importante est une zone dans laquelle (comparativement au reste du lattice) il y a une plus forte concentration en structures solides 16 et une plus faible concentration de zones vides 14. Inversement, une zone de densité plus faible, est une zone dans laquelle (comparativement au reste du lattice) il y a une plus faible concentration en structures solides 16 et une plus forte concentration de zones vides. En d’autres termes, dans une zone de plus faible densité (comparativement au reste du treillis), le volume d’une zone vide est supérieur au volume d’une zone vide dans une zone de plus forte densité.

Selon une disposition particulièrement avantageuse, le treillis 6 peut présenter une densité supérieure à proximité de la peau 4. Cette disposition permet de garantir une circulation d’air optimale dans la pale, tout en offrant un soutien mécanique optimal à la peau et en participant aux échanges thermiques.

Insert Selon une disposition particulièrement avantageuse, la pale peut comprendre un insert 20 positionné dans le treillis 6.

En référence à la figure 7 l’insert 20 peut être un élément massif (contrairement au treillis). Par élément massif, il est entendu que l’insert 20 présente des parois pleines en matériaux solide (à l’exception d’ouvertures réalisée dans l’insert tel que cela sera décrit ci-après).

Typiquement l’insert 20 présente une géométrie similaire à la géométrie de la pale 2. Ainsi, l’insert 20 présente une géométrie d’aile avec un bord d’attaque, un bord de fuite, un intrados et un extrados. L’insert présente une section radiale creuse et définit un volume intérieur 22.

Comme indiqué précédemment, l’insert 20 peut présenter au moins une ouverture 21 permettant une circulation d’air vers la peau. Préférentiellement, l’insert 20 présente une pluralité d’ouvertures 21. Les ouvertures 21 traversent la paroi de l’insert pour permettre une circulation d’air du volume intérieur vers l’extérieur.

L’insert 20 est fabriqué et positionné dans le treillis 6, de sorte qu’il divise le treillis 6 en une portion interne 61 positionnée à l’intérieur de l’insert 6 et une portion externe 62 située à l’extérieur de l’insert 20. Il est précisé que sur la figure 7 l’insert 20 et le treillis 6 sont représentés séparés. Néanmoins, il s’agit d’une représentation éclatée permettant uniquement d’observer chaque élément séparément. En effet, le treillis 6 et l’insert 20 sont fabriqués en même temps et sont liés de sorte à former une seule et même pièce (avec la peau 4 aussi).

Tel que représenté sur la figure 8 les ouvertures 21 de l’insert 20 sont positionnés de sorte à déboucher dans des zones vides 14 du treillis 6, pour permettre une circulation d’air la plus optimale possible.

En sus, l’élément peut présenter deux parois de veine 24 circonférentielles entre lesquelles ladite au moins une pale s’étend selon une direction radiale à un axe principal de la turbomachine, cette direction correspondant à la direction de la hauteur de la pale, la peau formant deux parois tangentielles de ladite au moins une pale.

Ces parois de veines définissent chacune une ouverture radiale. Ainsi, la pale présente des ouvertures s’étendant un plan perpendiculaire à la direction radiale à l’axe.

Sauf précision contraire, interne (respectivement, intérieur) et externe (respectivement, extérieur), respectivement, sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie ou la face interne d'un élément est plus proche de Taxe principal que la partie ou la face externe du même élément.

Les parois de veines 24 agissent comme des butées radiales encadrant le treillis. Ainsi, en d’autres termes, la pale est creuse selon la direction radiale et peut ne pas présenter de paroi s’étendant suivant un plan perpendiculaire à la direction radiale.

Selon une disposition particulièrement avantageuse, la pale 2 ne présente pas de paroi dans un plan perpendiculaire à la direction radiale. Ainsi, de l’air peut entrer dans la pale 2 par l’une et/ou l’autre des deux parois de veine 24 radialement interne et externe de la pale 2 et y circuler via le treillis 6 et les ouvertures 21 de l’insert (comme représenté par la flèche IV), pour refroidir la peau.

Typiquement, l’élément est choisi parmi un distributeur haute pression, une aube directrice d’entrée, une aube statorique variable.

Procédé de fabrication

Selon un deuxième aspect, l’invention porte sur un procédé de fabrication additive d’un élément selon l’invention.

Typiquement, le procédé de fabrication additive est un procédé de fusion laser sur lit de poudre (aussi appelé LBM Laser Beam Melting ou SLM Selective Laser Melting). Il s’agit d’un procédé d’élaboration de brut qui fait partie de la famille des procédés de fabrication additive.

D’une manière connue un procédé LBM utilise une machine de fabrication additive A (représentée sur la figure 5 intégrant un laser B, un miroir C, un racleur D, un bac de poudre E et un plateau de fabrication F.

Le procédé LBM se déroule en différentes étapes qui se répètent jusqu’à obtention de l’objet final :

Une couche de poudre métallique est étendue à l’aide d’un racleur sur le plateau de fabrication.

La poudre est fusionnée localement par un laser

Le plateau de fabrication descend de l’épaisseur d’une couche

Une nouvelle couche de poudre métallique est étendue et ainsi de suite

Tel qu’indique précédemment, avec ce procédé, les différents organes constitutif (peau, treillis et insert) sont fabriqués simultanément couche par couche, pour ne former qu’une seule pièce monobloc. Lors du procédé de fabrication, le treillis permet de soutenir la peau et l’insert. Ainsi, comme expliqué précédemment, le treillis a une double fonction de soutien lors de la fabrication et de structure mécanique contribuant à la résistance et au refroidissement de l’élément.

Turbomachine

Selon un autre aspect, l’invention concerne une turbomachine comprenant un ensemble de régulation 10.

Aéronef

Selon un autre aspect, l’invention concerne un aéronef comprenant au moins une turbomachine.