FR3137316A1 - Ceramic core for hollow turbine blade with external holes - Google Patents
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Abstract
Noyau céramique pour aube de turbine creuse à perçages externes Noyau céramique utilisé pour la fabrication d’une aube de turbine creuse selon la technique de la fonderie à la cire perdue, l’aube comportant au moins une cavité et une paroi externe pourvue de perforations externes débouchant au moins dans cette cavité, noyau (10) comportant une pluralité de picots (30) correspondant à ces perforations externes et destinés avec le noyau à être recouverts de cire perdue puis de métal en fusion afin d’obtenir une aube de turbine creuse brute de fonderie intégrant directement ces perforations externes sans usinage dédié. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Ceramic core for hollow turbine blade with external holes Ceramic core used for the manufacture of a hollow turbine blade using the lost wax casting technique, the blade comprising at least one cavity and an external wall provided with external perforations opening at least into this cavity, core (10 ) comprising a plurality of pins (30) corresponding to these external perforations and intended with the core to be covered with lost wax then with molten metal in order to obtain an as-cast hollow turbine blade directly integrating these external perforations without dedicated machining . Figure for abstract: Fig. 2.
Description
La présente invention se rapporte au domaine général des aubages de turbine de turbomachines, et plus particulièrement aux aubes de turbine munies de circuits de refroidissement intégrés réalisées par la technique de la fonderie à la cire perdue.The present invention relates to the general field of turbine blades for turbomachines, and more particularly to turbine blades provided with integrated cooling circuits produced using the lost wax casting technique.
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 mobiles), espacées de façon circonférentielle tout autour du rotor de la turbine. Ces aubes 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 ces aubes qui sont en contact direct avec ces gaz, ce qui a pour conséquence de limiter leur durée de vie.As is known per se, a turbomachine comprises a combustion chamber in which air and fuel are mixed before being burned. The gases resulting from this combustion flow downstream of the combustion chamber and then supply a high-pressure turbine and a low-pressure turbine. Each turbine comprises one or more rows of fixed blades (called distributors) alternating with one or more rows of moving blades (called moving wheels), spaced circumferentially all around the turbine rotor. These turbine blades are subjected to the very high temperatures of the combustion gases, which reach values well above those that these blades can withstand without damage, which are in direct contact with these gases, which has the consequence of limiting their service life.
Afin de résoudre ce problème, il est 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 au moyen de cavités internes et, dans la paroi de l’aube, des perforations destinées à générer un film protecteur pour cette aube.In order to solve this problem, it is known to provide these blades with internal cooling circuits having high levels of thermal efficiency and aimed at reducing the temperature of the latter by creating, inside the blade, an organized circulation of this air by means of internal cavities and, in the wall of the blade, perforations intended to generate a protective film for this blade.
La fabrication d’aubes en fonderie est un processus complexe qui nécessite l’emploi d’un noyau en céramique qui permettra la réalisation de ces cavités internes lors de la coulée de la cire puis du métal en fusion. La demande WO2016/151234 au nom de la demanderesse montre un noyau en céramique permettant de réaliser en un seul élément toutes les cavités internes d’une aube et ainsi d’assurer un refroidissement interne particulièrement efficace sans augmentation significative du débit d’air de refroidissement et donc sans pénaliser les performances moteur. Toutefois, et comme décrit dans la demande FR2961552, également au nom de la demanderesse, les perforations traversant la paroi externe de l’aube sont à ce jour classiquement réalisées par perçage laser ou EDM (électroérosion par enfonçage).The manufacture of blades in a foundry is a complex process that requires the use of a ceramic core that will allow the creation of these internal cavities during the casting of the wax and then the molten metal. Application WO2016/151234 in the name of the applicant shows a ceramic core that makes it possible to create all the internal cavities of a blade in a single element and thus to ensure particularly efficient internal cooling without significantly increasing the cooling air flow rate and therefore without penalizing engine performance. However, and as described in application FR2961552, also in the name of the applicant, the perforations passing through the external wall of the blade are currently conventionally made by laser drilling or EDM (sinking electrical discharge machining).
Or, ces procédés de perçage entraînent beaucoup de non-conformités tels que les impacts de perçage, les retouches récurrentes toujours nécessaires dues par exemple au préformage des trous et aux trous non débouchants, aux brûlures en entrée de trous, ainsi qu’une altération de la matière dans le profil de ces trous.However, these drilling processes result in many non-conformities such as drilling impacts, recurring touch-ups which are always necessary due, for example, to preforming of holes and non-through holes, burning at the entrance to holes, as well as alteration of the material in the profile of these holes.
La présente invention vise donc à pallier les inconvénients liés à ces non-conformités en proposant un noyau céramique pour une aube de turbine creuse qui intègre des tiges permettant de réaliser les trous de refroidissement directement sur le noyau céramique supprimant ainsi toutes les opérations de perçages actuelles.The present invention therefore aims to overcome the drawbacks linked to these non-conformities by proposing a ceramic core for a hollow turbine blade which integrates rods allowing the cooling holes to be made directly on the ceramic core, thus eliminating all current drilling operations.
A cet effet, il est prévu un noyau céramique utilisé pour la fabrication d’une aube de turbine creuse selon la technique de la fonderie à la cire perdue utilisant un métal en fusion, l’aube comportant au moins une cavité et une paroi externe pourvue de perforations externes débouchant dans ladite au moins une cavité, noyau caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité de picots correspondant à ces perforations externes et destinés avec le noyau à être recouverts de cire perdue puis de métal en fusion afin d’obtenir une aube de turbine creuse brute de fonderie intégrant directement ces perforations externes sans usinage dédié.For this purpose, a ceramic core is provided used for the manufacture of a hollow turbine blade according to the lost wax casting technique using a molten metal, the blade comprising at least one cavity and an external wall provided with external perforations opening into said at least one cavity, core characterized in that it comprises a plurality of pins corresponding to these external perforations and intended with the core to be covered with lost wax then with molten metal in order to obtain a raw hollow turbine blade from the casting process directly integrating these external perforations without dedicated machining.
En ajoutant ces picots au noyau, les trous sont directement réalisés avec les cavités lors de la coulée de la cire puis du métal en fusion permettant une parfaite maitrise de leurs positions respectives comme des dimensions de ces trous.By adding these pins to the core, the holes are directly made with the cavities during the casting of the wax and then the molten metal, allowing perfect control of their respective positions as well as the dimensions of these holes.
De préférence, les picots sont constitués de tiges en céramique ou de tubes en quartz.Preferably, the pins are made of ceramic rods or quartz tubes.
Avantageusement, noyau et picots sont en un même matériau céramique et réalisés ensemble en fabrication additive.Advantageously, the core and pins are made of the same ceramic material and produced together using additive manufacturing.
De préférence, un perturbateur est ajouté au picot à une extrémité opposée à son extrémité libre, assurant la jonction du picot et d’une partie du noyau.Preferably, a disruptor is added to the pin at an end opposite its free end, ensuring the junction of the pin and a portion of the core.
Avantageusement, un déficit local de matière tel un évasement ou un congé est prévu à la jonction du picot et d’une partie du noyau.Advantageously, a local deficit of material such as a flare or a fillet is provided at the junction of the stud and part of the core.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une aube de turbine creuse selon la technique de la fonderie à la cire perdue utilisant un métal en fusion, comprenant les étapes suivantes :
. fabrication d’un noyau en céramique,
. placement du noyau dans un moule en matériau réfractaire épousant la forme externe de l’aube de turbine creuse à fabriquer,
. coulée de la cire perdue dans le moule en matériau réfractaire,
. une fois la cire solidifiée, ouverture du moule et retrait de la pièce en cire perdue incorporant le noyau en céramique,
. placement de la pièce en cire perdue incorporant le noyau en céramique dans une carapace en céramique épousant la forme externe de la pièce en cire perdue,
. retrait de la cire perdue de la carapace en céramique,
. coulée du métal en fusion dans l’espace laissé libre par le retrait de la cire perdue,
. ouverture ou destruction de la carapace en céramique,
. retrait du noyau en céramique par dissolution chimique, et
. obtention de l’aube de turbine creuse brute de fonderie,
caractérisé en ce que le noyau en céramique comporte une pluralité de picots correspondant à des perforations externes de l’aube de turbine creuse, de sorte qu’une fois le noyau en céramique dissous l’aube de turbine creuse brute de fonderie obtenue intègre directement ces perforations externes sans usinage dédié.The invention also relates to a method of manufacturing a hollow turbine blade according to the lost wax casting technique using a molten metal, comprising the following steps:
. manufacturing of a ceramic core,
. placement of the core in a refractory material mold matching the external shape of the hollow turbine blade to be manufactured,
. casting of lost wax into the refractory material mold,
. once the wax has solidified, opening the mold and removing the lost wax part incorporating the ceramic core,
. placement of the lost wax part incorporating the ceramic core in a ceramic shell matching the external shape of the lost wax part,
. removal of lost wax from the ceramic shell,
. pouring of the molten metal into the space left free by the removal of the lost wax,
. opening or destruction of the ceramic shell,
. removal of the ceramic core by chemical dissolution, and
. obtaining the raw hollow turbine blade from the foundry,
characterized in that the ceramic core comprises a plurality of pins corresponding to external perforations of the hollow turbine blade, so that once the ceramic core is dissolved the resulting raw cast hollow turbine blade directly incorporates these external perforations without dedicated machining.
De préférence, des extrémités libres des picots sont insérées dans des emplacements correspondant du moule en matériau réfractaire, de sorte à émerger de la pièce en cire perdue une fois ce moule ouvert.Preferably, free ends of the pins are inserted into corresponding locations in the refractory material mold, so as to emerge from the lost wax part once this mold is opened.
L’invention concerne enfin une aube de turbine creuse brute de fonderie obtenue par le procédé de fabrication précité.The invention finally relates to a raw cast hollow turbine blade obtained by the aforementioned manufacturing method.
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 :Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the description given below, with reference to the attached drawings which illustrate an exemplary embodiment thereof without any limiting character and in which:
Le principe de l’invention repose sur l’ajout de picots au noyau céramique permettant de réaliser directement les perforations dites externes traversant la paroi externe de l’aube lors de la coulée de la cire perdue puis du métal.The principle of the invention is based on the addition of pins to the ceramic core allowing the so-called external perforations to be made directly through the external wall of the blade during the casting of the lost wax and then the metal.
La
Conformément à l'invention et comme le montre la
Comme le montre les picots de la colonne 14, certains picots peuvent présenter une géométrie particulière plus complexe avec à leur base (l’extrémité opposée à son extrémité libre) avec un surplus local de matière de façon à former un perturbateur 32 permettant une amélioration de la tenue mécanique et donc de la durée de vie de la pièce finie. Toutefois, la maitrise de la forme en interne permet au contraire, si nécessaire, de réaliser un évasement ou un congé à l’extrémité du perçage, c’est dire d’envisager un déficit local de matière qui n’est pas réalisable avec les procédés de perçage actuels.As shown by the pins in column 14, some pins may have a more complex particular geometry with at their base (the end opposite its free end) a local surplus of material so as to form a disruptor 32 allowing an improvement in the mechanical strength and therefore the service life of the finished part. However, the control of the shape internally allows on the contrary, if necessary, to make a flare or a fillet at the end of the drilling, that is to say to envisage a local deficit of material which is not achievable with current drilling processes.
Le procédé de fabrication d’une aube de turbine creuse selon la technique de la fonderie à la cire perdue au moyen d’un tel noyau hérisson (représenté par une simple barre hérissée de picots pour des raisons de simplification) est illustré à la
La première d’entre elles (dessin a de la
Ce noyau hérisson 40 est alors placé dans un moule en matériau réfractaire 42 épousant la forme externe de l’aube de turbine creuse à fabriquer (dessin b). Pour permettre un parfait positionnement des picots sur le noyau, les extrémités libres des picots sont insérées dans des emplacements correspondant du moule en matériau réfractaire 42, de sorte à émerger de la pièce en cire perdue une fois ce moule ouvert (voir plus avant le dessin d).This hedgehog core 40 is then placed in a refractory material mold 42 matching the external shape of the hollow turbine blade to be manufactured (drawing b). To allow perfect positioning of the pins on the core, the free ends of the pins are inserted into corresponding locations in the refractory material mold 42, so as to emerge from the lost wax part once this mold is opened (see further drawing d).
La cire perdue 44 est ensuite coulée dans le moule en matériau réfractaire 42 (dessin c) recouvrant le noyau hérisson et, une fois la cire perdue solidifiée, il est procédé à l’ouverture du moule 42 et retrait de la pièce en cire perdue 44 incorporant alors le noyau en céramique 40 et dont les extrémités des picots émergent (dessin d).The lost wax 44 is then poured into the refractory material mold 42 (drawing c) covering the hedgehog core and, once the lost wax has solidified, the mold 42 is opened and the lost wax part 44 is removed, then incorporating the ceramic core 40 and the ends of the pins of which emerge (drawing d).
L’étape suivante (dessin e) consiste alors à placer cette pièce en cire perdue incorporant le noyau en céramique dans une carapace en céramique 46 épousant la forme externe de la pièce en cire perdue 44 avant de procéder, dans une nouvelle étape (dessin f), au retrait de la cire perdue de la carapace en céramique, ce retrait étant en général effectué par fusion de la cire perdue en plaçant l’ensemble dans un four (décirage non représenté), libérant un espace libre 48 entre le noyau en céramique 40 et la carapace en céramique 46.The next step (drawing e) then consists of placing this lost wax part incorporating the ceramic core in a ceramic shell 46 matching the external shape of the lost wax part 44 before proceeding, in a new step (drawing f), to remove the lost wax from the ceramic shell, this removal generally being carried out by melting the lost wax by placing the assembly in an oven (wax removal not shown), freeing up a free space 48 between the ceramic core 40 and the ceramic shell 46.
La coulée du métal en fusion 50 peut alors être effectuée dans l’espace 48 laissé libre par le retrait de la cire perdue (dessin g), préalable à l’ouverture ou la destruction de la carapace en céramique 46 (dessin h) de laquelle le noyau en céramique est alors retiré par dissolution chimique (dessin i) pour obtenir enfin l’aube de turbine creuse, brute de fonderie, avec ses perforations externes directement intégrées sans usinage dédié de ces trous. Un ébavurage ou un polissage ultérieur est toutefois toujours requis pour obtenir l’état de surface recherché pour la pièce finale à partir de ce brut de fonderie.The casting of the molten metal 50 can then be carried out in the space 48 left free by the removal of the lost wax (drawing g), prior to the opening or destruction of the ceramic shell 46 (drawing h) from which the ceramic core is then removed by chemical dissolution (drawing i) to finally obtain the hollow turbine blade, raw from the casting, with its external perforations directly integrated without dedicated machining of these holes. However, subsequent deburring or polishing is always required to obtain the desired surface condition for the final part from this raw from the casting.
Si le procédé ainsi présenté trouve application de façon préférentielle dans les turbomachines aéronautiques, il est bien entendu qu’il peut s’appliquer à toutes pièces creuses possédant des cavités complexes et des perçages externes.If the process thus presented finds preferential application in aeronautical turbomachines, it is understood that it can be applied to all hollow parts having complex cavities and external drillings.
Claims (10)
. fabrication d’un noyau en céramique (10),
. placement du noyau dans un moule en matériau réfractaire (42) épousant la forme externe de l’aube de turbine creuse à fabriquer,
. coulée de la cire perdue (44) dans le moule en matériau réfractaire,
. une fois la cire solidifiée, ouverture du moule et retrait de la pièce en cire perdue incorporant le noyau en céramique,
. placement de la pièce en cire perdue incorporant le noyau en céramique dans une carapace en céramique (46) épousant la forme externe de la pièce en cire perdue,
. retrait de la cire perdue de la carapace en céramique,
. coulée du métal en fusion dans l’espace laissé libre (48) par le retrait de la cire perdue,
. ouverture ou destruction de la carapace en céramique,
. retrait du noyau en céramique par dissolution chimique, et
. obtention de l’aube de turbine creuse brute de fonderie,
caractérisé en ce que le noyau en céramique comporte une pluralité de picots (30) correspondant à des perforations externes de l’aube de turbine creuse, de sorte qu’une fois le noyau en céramique (10) dissous, l’aube de turbine creuse brute de fonderie obtenue intègre directement ces perforations externes sans usinage dédié.Method of manufacturing a hollow turbine blade according to the lost wax casting technique using a molten metal, comprising the following steps:
. manufacturing of a ceramic core (10),
. placing the core in a refractory material mold (42) matching the external shape of the hollow turbine blade to be manufactured,
. casting of lost wax (44) into the refractory material mold,
. once the wax has solidified, opening the mold and removing the lost wax part incorporating the ceramic core,
. placement of the lost wax part incorporating the ceramic core in a ceramic shell (46) matching the external shape of the lost wax part,
. removal of lost wax from the ceramic shell,
. pouring of the molten metal into the space left free (48) by the removal of the lost wax,
. opening or destruction of the ceramic shell,
. removal of the ceramic core by chemical dissolution, and
. obtaining the raw hollow turbine blade from the foundry,
characterized in that the ceramic core comprises a plurality of pins (30) corresponding to external perforations of the hollow turbine blade, so that once the ceramic core (10) is dissolved, the resulting raw cast hollow turbine blade directly incorporates these external perforations without dedicated machining.
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Legal Events
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