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PERFECTIONNEMENTS-AUX ENSEMBLES D'AUBES DIRECTRICES DANS LES-CONDUITS
ANNULAIRES POUR FLUIDE,
Cette invention a trait à des ensembles d'aubes directrices utili- sables dans des conduits annulaires disposés de façon que la direction princi- pale d'écoulement soit axiale par rapport au conduit.
L'invention est relative à des ensembles d'aubes directrices du type comprenant une série d'aubes réparties circonférentiellement dans le con- duit et placées avec leur axe transversal s'étendant en travers du conduit d'une paroi interne à une paroi externe, aubes directrices qui sont prévues pour im- poser ou retirer une composante de vitesse de rotation et de tourbillonnement à un fluide s'écoulant par le conduit annulaire, dans une direction pratiquement axiale par rapport au conduit.
L'objet premier de 1-'invention est de prévoir un ensemble d'aubes directrices du type spécifié, qui dirigera l'écoulement du fluide d'une manière désirée selon les exigences du modèle.
Selon la présente invention, il est prévu - en combinaison avec un conduit annulaire conducteur de fluide, avant une paroi interne et une paroi externe, espacées pour permettre un passage du fluide, avec une entrée à l'une des extrémités et une sortie à l'autre extrémité du conduit, si bien que la direction principale d'écoulement du fluide transporté est axial par rapport au conduit - un ensemble d'aubes directrices du type spécifié, chaque aube de l'ensemble étant disposée pour s'étendre à travers le conduit, de la paroi in- terne à la paroi externe, avec son axe transversal au moins en partie incliné par rapport à un rayon partant de 1-'axe du conduit, par le point d'intersection de l'axe transversal avec la paroi interne, d'où, en passant par.l'ensemble des aubes directrices,
le fluide reçoit une composante de vitesse qui est ra- diale par rapport à l'axe du conduit Jusqu'ici,, il a été d'usage de disposer les aubes de l'ensemble avec leurs axes transversaux ou "d'envergure" s'étendant sur des lignes qui
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sont pratiquement radiales par rapport à l'axe du conduit annulaire. Dans un tel agencement,, le fluide s'écoule à travers un ensemble d'aubes directrices, sans déflection sensible radiale par rapport à l'axe du conduit, sauf dans la mesure où les parois du conduit peuvent imposer à l'écoulement une direction radiale.
L'agencement des aubes directrices faisant l'objet de l'invention permet de donner au fluide transporté une composante radiale de vitesse qui puisse être avantageuse dans divers buts.
Par exemple, si une ligne de centre d'une coupe axiale du conduit annulaire présente une courbure dans la région de l'ensemble des aubes direc- trices, il est passible, par application de l'invention, d'impartir une telle composante radiale de vitesse au fluide transporté que la direction d'écoule- ment, à la sortie de l'ensemble des aubes directrices, soit pratiquement paral- lèle à la ligne médiane de la section du conduit., du côté aval du groupe, d'où une contrainte excessive sur le courant, due à une paroi du conduit, est évi- tée.
Dans certains cas, il peut être désirable d'imposer la composante ra- diale de vitesse au fluide transporté, dans le but de modifier la distribution de vitesse axiale à l'écoulement du fluide; ainsi, par exemple, en imposant une composante radiale de vitesse à l'écoulement du fluide au moyen d'un groupe d'aubes directrices conforme à cette invention, l'écoulement du fluide dans la région de la paroi du conduit vers laquelle le fluide est dévié peut être accéléré, et l'allure du fluide s'écoulant dans la région de l'autre paroi du conduit peut être réduite.
Dans un des agencements selon l'invention, les aubes formant le groupe des aubes directrices ont des axes transversaux rectilignes, d'où, si la vitesse à laquelle le fluide pénètre dans le groupe d'aubes directrices est uniforme et si la section en aile des aubes est uniforme dans le sens de "l'envergure" des aubes, la composante radiale de vitesse imposée au fluide est uniforme dans le sens de "l'envergure" des aubes.
Dans un autre agencement, les axes transversaux des aubes sont in- curvés,d'où la composante radiale de vitesse imposée varie dans le sens trans- versal de l'aube.
Dans un autre agencement encore, l'aube est formée de telle sorte que son axe transversal comprenne un certain nombre de lignes droites s'inter- sectant, qui sont inclinées l'une par rapport à l'autre; par exemple, une aube peut comprendre deux parties transversales, ayant chacune leur axe transversal incliné par rapport au rayon tiré de l'axe du conduit, l'une des parties rece- vant une section en aile de façon à impartir au fluide une composante radiale extérieure de vitesse et l'autre des parties recevant une section en aile de façon à impartir une composante radiale intérieure de vitesse au fluide.
Si la première partie est située du côté externe extrême d'une aube et la seconde, du côté interne extrême, le groupe d'aubes directrices sera tel qu'il tendra à diminuer la composante de vitesse axiale dans le centre du groupe de conduits, du côté aval du groupe, et à augmenter la vitesse axiale près des parois, de façon à provoquer, par exemple, une nouvelle distribution de la charge de pres- sion totale dans l'écoulement du gaz, pour rectifier les pertes en couches de liaison du côté amont du groupe, pertes qui pourraient provoquer une mauvaise distribution de la charge de pression totale.
Si, toutefois, la première partie est située du côté interne extrême dans chaque aube et la seconde par- tie, du côté externe extrême, le groupe d'aubes directrices tendra à accroître la composante de vitesse axiale dans le centre du conduit et à la réduire dans la région des parois.
Il sera apprécié qu'un effet similaire puisse être obtenu de l'usage d'aubage à incurvation transversale.
Une modification de la composante radiale imposée par l'aube peut aussi être obtenue en modifiant la section en profondeur de l'aube, soit par torsion de l'aube et/ou modification du profil dans le sens transversal.
L'invention trouve une importante application dans les groupes d'au- bes directrices de conduits annulaires transportant un agent gazeux, tels que,
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par exemple, ceux qui sont prévus dans les conduits à fluide actif de cômpres- seurs ou de turbines à écoulement axial Dans de tels appareils, il est courant d'utiliser des anneaux d'aubes fixes, chaque anneau constituant un groupe d'au- bes directrices dans un passage de conduit annulaire, dans le but d'imposer au fluide de travail une composante de vitesse de rotation ou de tourbillonne- ment autour de l'axe de l'anneau, afin d'assurer, par exemple, que l'angle d'in- cidence du fluide de travail sur l'aubage tournant soit juste ou pour donner un angle désiré de décharge du compresseur ou de la turbine.
Ainsi, une caractéristique importante de l'invention réside dans le fait qu'on emploie un groupe d'aubes directrices conforme à celle-ci dans un conduit d'écoulement annulaire d'un compresseur ou d'une turbine à écoule- ment axial.
Par exemple, lorsque le conduit annulaire comprend un diffuseur avec une section axiale ayant une ligne de centre inclinée par rapport à la ligne médiane du conduit du compresseur en amont du diffuseur, le groupe d'au- bes directrices peut être employé à l'entrée du diffuseur pour, assurer qu'au- cune contrainte indue ne soit imposée à l'écoulement gazeux par l'une des pa- rois du conduit,. avec une contrainte réduite correspondante imposée par l'au- tre paroi du conduit.,
Le groupe d'aubes directrices peut être formé par un anneau d'au- bes de stator dans un compresseur ou turbine.
Par exemple, l'une des applica- tions importantes dans un compresseur à écoulement axial se fait à l'aubage de stator, à l'extrémité d'entrée du compresseur, où il peut être désirable d'imposer une composante de vitesse extérieure, pour accélérer l'écoulement du gaz en direction axiale, dans la région de la paroi externe du conduit.
L'accélération de l'écoulement peut être utile pour empêcher la perte de vites- se de l'aubage du rotor, lors du fonctionnement à faible vitesse du compresseur., et les aubes peuvent être réglables pour-que puisse être modifié l'angle d'in- clinaison de leurs axes transversaux, afin que se modifie la composante de vi- tesse radiale impartie par elles au fluide de travail, en conformité de la vi- tesse de rotation réelle, la vitesse de rotation modifiée ou selon un facteur dépendant de ladite vitesse de rotation du compresseuro
Une autre application de l'invention se fait à l'aubage de stator d'étages de compresseur intermédiaires, où l'inclinaison des axes-transversaux, lors de l'emploi d'aubes de forme droite ou incurvée, peut être utilisée pour modifier ou corriger la distribution de vitesse axiale radialement par rapport au conduit.
Des aubes à axe transversal incurvé peuvent être utilisées à la sortie d'un compresseur axial., pour favoriser la déviation du gaz le long des parois interne et externe d'un diffuseur, ce qui tend à supprimer la séparation et à augmenter l'effiscité de la diffusiono
Quelques modes de réalisation de cette invention seront maintenant décrits avec référence aux dessins ci-annexés, dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement une coupe axiale partielle d'une partie d'un moteur à turbine à gaz; la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 1; la figure 3 est une vue de l'extrémité gauche de la figure 2 et elle représente une des applications de l'invention; la figure 4 montre une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 3 ;
les figures 5 et 6 sont des vues représentant une autre application de l'invention; les figures 7 et 8 sont des vues .illustrant une autre application encore selon l'invention; la figure 9 A montre une coupe suivant la ligne 9-9 de la figure 8;
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la figure 9 B est une vue d'une variante;, correspondant à celle de la figure 9 A; les figures 10 et 11 sont des vues représentant une autre applica- tion de l'invention; la figure 12 A montre une coupe suivant la ligne 12-12 de la figure 8, et la figure 12 B est une vue d'une variante, correspondant à celle de -la figure 12 A.
Si l'on se réfère aux dessins, on voit que la figure 1 représente une partie d'un moteur à turbine à gaz, en coupe axialeo Le moteur à turbine à gaz comprend un compresseur à écoulement axiale indiqué en 20, une section d'amenée d'air comprimé 21 et un équipement de combustion indiqué en 22, relié pour recevoir de l'air comprimé de la section d'amenée 21. Le compresseur comprend un boîtier 20a, portant un certain nombre d'anneaux d'aubes de stator 23, et un tambour de rotor 20b, portant un certain nombre de rangées 24 d'au- bes de rotor.
Le fluide de travail du moteur s'écoule par un passage annulaire comprenant une première partie, définie par une paroi interne constituée par la surface du tambour de rotor 20b et une paroi externe constituée par le boî- tier 20a du compresseur, une seconde partie, qui est une continuation de la première partie et qui est comprise entre une paroi annulaire interne 21b et une paroi externe 21a,et une troisième partie, constituée par l'équipement de combustion 22, qui peut être de toute forme convenable.
Le fluide de tra- vail est chauffé dans l'équipement de combustion 22 et il se dirige alors vers une turbine (non représentée), qui est agencée pour commander le rotor du com- presseur, par exemple par l'intermédiaire d'un arbre 25
La surface de la section transversale du passage annulaire du flui- de de travail décroît habituellement dans le sens de l'écoulement du fluide à travers le compresseur et, dans la construction représentée à la figure 1, le boîtier 20a du compresseur et la surface du tambour 20b dû rotor sont tous deux tronconiques et sont prévus de telle manière qu'ils convergent dans la direction de l'écoulement,l'extrémité de plus grand diamètre de l'un étant disposée près de l'extrémité de plus petit diamètre de l'autre.,
La section d'amenée 21 du compresseur est, comme il est montré à la figure 2,
de section transversale. divergente dans le sens d'écoulement du fluide à travers le moteur,la paroi interne 21b étant sensiblement cylin- drique et la paroi externe 21a étant tronconique, avec son extrémité de diamè- tre le plus grand située à l'extrémité d'aval.
Si l'on se réfère de nouveau à la figure 1, on voit que, dans le moteur représenté, la ligne de centre 26 de la première partie de l'anneau de fluide est parallèle à l'axe 27 du moteur, tandis que la ligne de centre 28 de la section d'amenée 21 du compresseur est inclinée de façon à former un angle avec l'axe 27
Avec un tel agencement, l'air aura tendance à être amené du compres-- seur 20 à la section d'amenée 21, pour s'écouler à travers la section d'amenée en formant un angle avec la ligne de centre 28, tendant ainsi à accélérer l'é- coulement de l'air près de la paroi interne 21b et tendant à diminuer la vites- se de l'écoulement de l'air près de la paroi externe 21a, Cet effet réduit l'efficience de la section d'amenée 21, comme un diffuseur.
Toutefois,pour améliorer la diffusion, il peut être prévu un agen- cement tel que celui qui est représenté aux figures 2 à 4. Cette rangée exis- tante d'aubes habituellement radiales à la sortie du compresseur est remplacée par une rangée d'aubes 29, disposées de telle façon que, outre qu'elles élimi- nent la vitesse de rotation ou de tourbillonnement du fluide incident, les au- bes impartissent également une composante radiale de vitesse, si bien que l'air quittant le groupe d'aubes directrices s'écoule sensiblement parallèlement à la ligne de centre 28 de la section d'amenée 21.
Cet effet est indiqué par
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les flèches 30. 31 et 32, dont les flèches 30 représentent la vitesse axiale à laquelle l'air s'écoule de la sortie du compresseur 20; les flèches 31 indi- quent la composante radiale de vitesse impartie à l'air qui s'écoule au delà des aubes 29 du groupe d'aubes directrices, et les flèches 32 indiquent l'écou- lement obtenu pour le fluide, à la fois en amplitude et en direction.
Dans cette réalisation, les aubes 29 formant le groupe d'aubes di- rectrices ont des axes transversaux rectilignes 29a mais les aubes 29 sont for- mées de telle façon que leurs axes transversaux 29a ne coïncident pas, comme il est habituel, avec un rayon 29b tiré de l'axe 27 du moteur par le point au- quel l'extrémité d'origine de 1-'axe transversal 29.La coupe la surface interne de l'anneau de fluide, mais que lesdits axes soient inclinés par rapport au rayon 29b. Comme il ressortira plus spécialement de la figure 4., les aubes 29 sont chacune de section en aile et cette section peut soit être uniforme sur toute la longueur de l'aube, soit varier de façon à produire une modification de la composante de vitesse radiale indiquée par les flèches 31.
Les aubes 29 peuvent être supportées dans leur position de toute manière convenable, par exemple, ainsi qu'il est représenté, elles sont pour- vues de tablettes 33, à chaque extrémité, tablettes qui s'aboutent l'une à l'autre circonférentiellement et sont disposées axialement, en face d'épaule- ments 34, formés par des retraits coupés dans les parois de l'anneau de fluide de travail.
Si l'on se réfère aux figures 5 et 6, on y voit illustrée une autre application de l'invention et, dans cette application, des aubes semblables à celles qui ont été décrites avec référence aux figures 2 à 4 sont employées 'pour accomplir une nouvelle distribution de vitesse axiale dans un conduit an- nulaire ayant une section transversale uniforme.
Comme résultat de la compo- sante radiale de vitesse impartie au fluide de travail pendant son écoulement à travers un groupe d'aubes directrices formé par l'anneau d'aubes 29, un flui- de de travail qui a, à l'entrée de la section 21, une distribution de vitesse indiquée par les flèches 35 peut .être prévu pour avoir une distribution de vi- tesse telle qu'il est indiqué par les flèches 36, en un point du conduit annu- laire indiqué par la ligne en trait mixte 37. On remarquera que le fluide défrayai se truvat près de la paroi externe 121a de la section reçoit une accélération et que le fluide de travail se trouvant près de la paroi interne 121b a son allure ralentie. On obtient ce résultat en donnant aux aubes 29 un profil tel que celui qui est représenté à la figure 4.
Il sera apprécité que ce principe en- traînant la redistribution de la vitesse axiale peut être appliqué à un conduit de type divergent ou convergent.
Un agencement d'aubes directrices tel que celui qui est illustré aux figures 5 et 6 peut être employé avec avantage dans un ou plusieurs des étages d'admission du compresseur; par exemple, les aubes de stator 23 peuvent être disposées de la même manière que les aubes 20. avec leurs axes transver- saux inclinés par rapport aux rayons respectifs partant de l'axe du moteur, de façon à accroître la vitesse du fluide de travail près des extrémités de l'aubage du rotor, dans ces étageso On appréciera le fait que, dans ces étages, le conduit est convergent mais que, néanmoins, une redistribution de vitesse semblable à celle illustrée à l'aide de la figure 5 sera obtenue,
L'accélération de l'écoulement près des extrémités des aubes du rotor peut être utile pour empêcher la perte de vitesse de l'aubage du rotor.
dans des conditions de fonctionnement à faible vitesse du compresseuret les aubes sont prévues réglables pour modifier l'angle d'inclinaison de leurs axes transversaux et ainsi, modifier la composante de vitesse radiale impartie par elles au fluide de travail,en conformitéde la vitesse de rotation réelle, la vitesse de rotation corrigée ou selon un facteur dépendant-de ladite vites- se de rotation du compresseur.
Si l'on se réfère aux figures 7, 8 et 9 A, on y voit illustrée une application de l'invention semblable à l'agencement visible aux figures 2 à 4.
Dans cet agencement, les parois 221a et 22b de la section d'amenée 21 sont et ici encore divergentes, si bien que la section agit comme un diffuseur mais dans cette section, la ligne de centre 228 n'est pas inclinée par rapport
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à l'axe 27, comme l'est la ligne de centre 28 à la figure 2, elle continue la ligne de centre 26 de l'anneau du compresseuro Afin d'améliorer l'effet de diffusion de la section 21, telle qu'elle est illustrée à la figure 7, chaque aube 229, qui est à section en ailes est formée pour avoir un axe transversal comprenant plusieurs parties rectilignes., inclinées l'une par rapport à l'autre.
Dans la construction illustrée, ainsi qu'on peut le voir plus clairement à la figure 8, l'axe transversal d'une aube comprend deux parties, 229a et 229b, et chacune de celles-ci est inclinée par rapport au rayon 29b partant de l'axe du moteur. Les aubes 229 sont donc de forme coudée ou similaire,, les moitiés externe et interne étant sensiblement de même longueur.
Dans cet agencement, les aubes ont reçu un profil tel que celui qui est illustré à la figure 9 A et, avec un tel agencement, la moitié externe de chaque aube impartit, au flui- de de travail s'écoulant sur elle., une composante radiale extérieure de vitesse et la moitié interne de chaque aube impartit, au fluide de travail s'écoulant sur elle., une composante radiale intérieure de vitesse, si bien que, si la dis- tribution de vitesse au fluide de travail, à l'entrée du groupe d'aubes direc- trices formé par les aubes 229 est représentée par les flèches 230, la distri- bution de vitesse à la sortie du groupe d'aubes directrices peut être représen- tée par les flèches 232, les flèches externes divergeant des flèches internes.
La forme coudée ou similaire des aubes 229 peut aussi être employée pour effectuer la redistribution de vitesse dans un conduit annulaire. Par exemple, si on désire accélérer l'écoulement du fluide à travers le conduit près de la ligne de centre de celui-ci et ralentir l'écoulement du fluide près des parois, on donnera aux aubes coudées ou similaires 229 un profil tel que celui qui est illustré à la figure 9 B, si bien que la moitié externe de chaque aube impartira au fluide de travail une composante radiale intérieure de vites- se et que la moitié interne de chaque aube 229 lui impartira une composante radiale extérieure de vitesse.
Si l'on considère les figures 10 à 12 A, on y voit illustrée une autre forme de groupe d'aubes directrices au moyen duquel peut s'effectuer une redistribution des vitesses radialement au conduit. Dans cet agencement, il est prévu, à l'entrée de la section d'amenée, qui., pour la facilitée est repré- sentée comme étant de section transversale tout à fait uniforme, un groupe d'au- bes directrices comprenant un certain nombre d'aubes 329 ayant leurs axes trans- versaux 329a incurvés, si bien qu'en fait les aubes impartissent des compo- santes radiales de vitesse différentes au fluide de travail en chaque point de leur longueur.
Si, par exemple, la distribution de vitesse à l'entrée du groupe d'aubes directrices formé par les aubes 329 est représentée par les flè- ches 330 et s'il est souhaité de réaliser une distribution de vitesse indiquée par les flèches 332, au niveau de la ligne en trait mixte 331, pour faire ainsi dévier le gaz vers les parois interne et externe 121a et 121b et pour supprimer la séparation du fluide des parois et augmenter l'efficacité de la diffusion, on donnera avantageusement aux aubes un profil tel que celui qui est représen- té à la figure 12A, si bien que la partie externe de chaque aube impartira une composante radiale extérieure de vitesse au fluide de travail et que la partie interne de chaque aube impartira une composante radiale intérieure de vitesse au fluide de travail.
On peut, avec avantage, employer, dans un com- presseur, comme il est indiqué en 20, un agencement permettant une nouvelle distribution de vitesse tel que celui qui est représenté à la figure 10, en réalisant les aubes de stator d'un ou de plusieurs étages intermédiaires d'un compresseur incurvées comme les aubes 329, pour corriger une distribution in- désirable de vitesse qui peut avoir été développée à cause d'effets de couches de liaison.
Si, contrairement à ce qui se produit dans le cas de l'agencement représenté à la figure 10, le fluide de travail doit avoir son allure accélérée au centre du conduit et réduite près des parois du conduits on peut employer des aubes incurvées, telles que les aubes 329, mais avec un profil tel que celui qui est montré à la figure 12 B, profil qui a pour effet que les parties inter- nes des aubes impartissent une composante radiale extérieure de vitesse au flui- de de travail et que les parties externes des aubes impartissent une composante radiale intérieure de vitesse au fluide de travail.