CA2755017C - Compresseur axialo-centrifuge a angle de rake evolutif - Google Patents
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Abstract
Roue mobile pour compresseur centrifuge ou axialo-centrifuge de turbomachine, comportant un socle (2) sur lequel sont fixées par leur pied (6) une pluralité d'aubes (3) s'étendant entre un bord d'attaque (8) et un bord de fuite (9), ledit bord de fuite étant incliné au niveau du pied (6) de l'aube (3) d'un angle de pente .alpha. par rapport au plan méridien qui le 10 traverse en son pied, dans le sens de rotation dudit compresseur (1), caractérisé en ce que le bord de fuite (9) présente au niveau de la tête (7) de l'aube (3) un angle de pente .beta. inférieur à son angle de pente a en pied d'aube.
Description
COMPRESSEUR AXIALO-CENTRIFUGE A ANGLE DE RAKE
EVOLUTIF
Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et plus particulièrement celui des compresseurs pour turbomachine comprenant au moins un étage de compression centrifuge ou mixte (axialo-centrifuge).
Les turbomoteurs aéronautiques et en particulier les turbomoteurs pour hélicoptères comportent généralement un compresseur de type centrifuge ou mixte, comme étage de compression du générateur de gaz. Ces compresseurs sont formés de roues mobiles ou rouets, qui ont une entrée d'air sensiblement axiale et une sortie plus radiale, les aubes étant fixées sur un socle en forme de cloche, qui sert de guide au flux d'air et le dévie de la direction d'entrée vers la direction de sortie. Le flux circule ainsi entre ce socle et un carter de compresseur ; il est comprimé et propulsé par les différentes aubes du rouet.
La tête des aubages est libre et positionnée en regard du carter, ou couvercle, qui referme la veine d'air. Le bord de fuite est rectiligne dans l'art antérieur et peut être incliné par rapport au plan méridien du rouet passant par le pied de l'aube. L'angle qu'il fait avec ce plan méridien est désigné sous le nom d'angle de rake, ou angle de pente du bord de fuite, et constitue un des paramètres géométriques pertinents pour décrire un aubage de rouet centrifuge.
Le choix d'un angle de pente significatif (de l'ordre, par exemple, de 200) en bord de fuite d'un rouet centrifuge est un moyen connu de réduire les contraintes en pied d'aube, qui sont dues en particulier à la flexion de l'aubage sous effort centrifuge. Il permet ainsi une conception plus performante du compresseur, et notamment :
- de réduire, à iso-vitesse de rotation, l'épaisseur de l'aubage, et donc celle du voile du socle et ainsi de diminuer de façon significative la masse et l'inertie du rotor.
- ou bien, à iso-masse et inertie pour le rouet, d'augmenter la vitesse de rotation.
On connaît par exemple le document US 5730582 qui décrit un rouet centrifuge pour un compresseur de turbomachine. Sur ce rouet, qui
EVOLUTIF
Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et plus particulièrement celui des compresseurs pour turbomachine comprenant au moins un étage de compression centrifuge ou mixte (axialo-centrifuge).
Les turbomoteurs aéronautiques et en particulier les turbomoteurs pour hélicoptères comportent généralement un compresseur de type centrifuge ou mixte, comme étage de compression du générateur de gaz. Ces compresseurs sont formés de roues mobiles ou rouets, qui ont une entrée d'air sensiblement axiale et une sortie plus radiale, les aubes étant fixées sur un socle en forme de cloche, qui sert de guide au flux d'air et le dévie de la direction d'entrée vers la direction de sortie. Le flux circule ainsi entre ce socle et un carter de compresseur ; il est comprimé et propulsé par les différentes aubes du rouet.
La tête des aubages est libre et positionnée en regard du carter, ou couvercle, qui referme la veine d'air. Le bord de fuite est rectiligne dans l'art antérieur et peut être incliné par rapport au plan méridien du rouet passant par le pied de l'aube. L'angle qu'il fait avec ce plan méridien est désigné sous le nom d'angle de rake, ou angle de pente du bord de fuite, et constitue un des paramètres géométriques pertinents pour décrire un aubage de rouet centrifuge.
Le choix d'un angle de pente significatif (de l'ordre, par exemple, de 200) en bord de fuite d'un rouet centrifuge est un moyen connu de réduire les contraintes en pied d'aube, qui sont dues en particulier à la flexion de l'aubage sous effort centrifuge. Il permet ainsi une conception plus performante du compresseur, et notamment :
- de réduire, à iso-vitesse de rotation, l'épaisseur de l'aubage, et donc celle du voile du socle et ainsi de diminuer de façon significative la masse et l'inertie du rotor.
- ou bien, à iso-masse et inertie pour le rouet, d'augmenter la vitesse de rotation.
On connaît par exemple le document US 5730582 qui décrit un rouet centrifuge pour un compresseur de turbomachine. Sur ce rouet, qui
2 a la forme d'une hélice inscrite dans un cylindre, l'angle de pente est constant tout le long du bord de fuite.
Le choix d'un angle de pente significatif a pour conséquence, avec un bord de fuite rectiligne, que la tête de l'aubage est inclinée du même angle que le pied par rapport à ce plan méridien. En cas de contact accidentel de l'aubage avec le couvercle, si le bord de fuite est incliné
dans le sens de rotation du rouet, la tête de l'aube a tendance à s'auto-engager dans le métal ce qui risque de générer des dégradations importantes.
On connaît par ailleurs le document US 4819884, qui porte sur un dispositif de ventilation comportant un rouet dont l'angle de pente va en augmentant du pied des pales vers leur tête et dont la tête est prise dans un plateau, évitant ainsi tout risque d'engagement des aubes dans le carter du dispositif La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un compresseur centrifuge ou mixte axialo-centrifuge qui ne présente pas certains des inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, qui présente un bord de fuite avec un angle de pente significatif à son pied, sans que se produise un phénomène d'auto-engagement de la tête de l'aube en cas de contact de celle-ci avec le couvercle.
A cet effet, l'invention a pour objet une roue mobile pour compresseur centrifuge ou mixte axialo-centrifuge de turbomachine, comportant un socle sur lequel sont fixées par leur pied une pluralité
d'aubes s'étendant entre un bord d'attaque et un bord de fuite, ledit bord de fuite étant incliné au niveau du pied de l'aube d'un angle de pente par rapport au plan méridien qui le traverse en son pied, dans le sens de rotation dudit compresseur, caractérisé en ce que le bord de fuite présente au niveau de la tête de l'aube un angle de pente 13 inférieur à son angle de pente a en pied d'aube.
L'angle de pente au niveau de la tête étant plus faible, le coin constitué par le bord de fuite et la tête de l'aube se déplace plus tangentiellement par rapport au carter et est donc moins à même de pénétrer dans celui-ci en cas de contact accidentel.
De façon préférentielle l'angle de pente 13 du bord de fuite en tête d'aube est proche de zéro, voire nul. Et de façon encore plus
Le choix d'un angle de pente significatif a pour conséquence, avec un bord de fuite rectiligne, que la tête de l'aubage est inclinée du même angle que le pied par rapport à ce plan méridien. En cas de contact accidentel de l'aubage avec le couvercle, si le bord de fuite est incliné
dans le sens de rotation du rouet, la tête de l'aube a tendance à s'auto-engager dans le métal ce qui risque de générer des dégradations importantes.
On connaît par ailleurs le document US 4819884, qui porte sur un dispositif de ventilation comportant un rouet dont l'angle de pente va en augmentant du pied des pales vers leur tête et dont la tête est prise dans un plateau, évitant ainsi tout risque d'engagement des aubes dans le carter du dispositif La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un compresseur centrifuge ou mixte axialo-centrifuge qui ne présente pas certains des inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, qui présente un bord de fuite avec un angle de pente significatif à son pied, sans que se produise un phénomène d'auto-engagement de la tête de l'aube en cas de contact de celle-ci avec le couvercle.
A cet effet, l'invention a pour objet une roue mobile pour compresseur centrifuge ou mixte axialo-centrifuge de turbomachine, comportant un socle sur lequel sont fixées par leur pied une pluralité
d'aubes s'étendant entre un bord d'attaque et un bord de fuite, ledit bord de fuite étant incliné au niveau du pied de l'aube d'un angle de pente par rapport au plan méridien qui le traverse en son pied, dans le sens de rotation dudit compresseur, caractérisé en ce que le bord de fuite présente au niveau de la tête de l'aube un angle de pente 13 inférieur à son angle de pente a en pied d'aube.
L'angle de pente au niveau de la tête étant plus faible, le coin constitué par le bord de fuite et la tête de l'aube se déplace plus tangentiellement par rapport au carter et est donc moins à même de pénétrer dans celui-ci en cas de contact accidentel.
De façon préférentielle l'angle de pente 13 du bord de fuite en tête d'aube est proche de zéro, voire nul. Et de façon encore plus
3 préférentielle l'angle de pente i3 du bord de fuite en tête d'aube est négatif. Ces configurations améliorent l'assurance que le coin en tête du bord de fuite ne pourra pas s'implanter dans le carter en cas de contact accidentel.
Dans un mode particulier de réalisation la courbure du bord de fuite est constante entre le pied et la tête dudit bord de fuite. Le bord de fuite a alors la forme d'un arc de cercle.
Dans un autre mode de réalisation la courbure du bord de fuite est continûment variable entre le pied et la tête dudit bord de fuite.
L'invention concerne également une turbomachine comprenant un compresseur comportant une des caractéristiques décrites ci-dessus. Il concerne enfin un aéronef équipé d'une telle turbomachine.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à
titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.
Sur ces dessins :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un rouet de compresseur centrifuge selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue de face d'un bord de fuite d'une aube de compresseur centrifuge selon l'art antérieur, et - la figure 3 est une vue de face d'un bord de fuite d'une aube de compresseur centrifuge selon un mode de réalisation de l'invention.
En se référant à la figure 1, on voit un compresseur centrifuge 1 comprenant un socle 2, en forme de cloche, sur lequel sont fixées des aubes de compresseur 3 réparties régulièrement sur la périphérie du socle 2. Le socle 2 se termine à sa partie supérieure, qui correspond au plan d'entrée de l'air à comprimer, par un cylindre formant moyeu 4 pour le compresseur, et à sa partie inférieure par un disque 5 orienté radialement par rapport à l'axe de rotation dudit compresseur. Les aubes 3 sont tenues par le socle 2 au niveau de leur pied 6 ; les têtes 7 de ces aubes sont libres et tournent à l'intérieur d'un carter de compresseur (non représenté). Dans le sens de l'écoulement de la veine d'air les aubes
Dans un mode particulier de réalisation la courbure du bord de fuite est constante entre le pied et la tête dudit bord de fuite. Le bord de fuite a alors la forme d'un arc de cercle.
Dans un autre mode de réalisation la courbure du bord de fuite est continûment variable entre le pied et la tête dudit bord de fuite.
L'invention concerne également une turbomachine comprenant un compresseur comportant une des caractéristiques décrites ci-dessus. Il concerne enfin un aéronef équipé d'une telle turbomachine.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à
titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.
Sur ces dessins :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un rouet de compresseur centrifuge selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue de face d'un bord de fuite d'une aube de compresseur centrifuge selon l'art antérieur, et - la figure 3 est une vue de face d'un bord de fuite d'une aube de compresseur centrifuge selon un mode de réalisation de l'invention.
En se référant à la figure 1, on voit un compresseur centrifuge 1 comprenant un socle 2, en forme de cloche, sur lequel sont fixées des aubes de compresseur 3 réparties régulièrement sur la périphérie du socle 2. Le socle 2 se termine à sa partie supérieure, qui correspond au plan d'entrée de l'air à comprimer, par un cylindre formant moyeu 4 pour le compresseur, et à sa partie inférieure par un disque 5 orienté radialement par rapport à l'axe de rotation dudit compresseur. Les aubes 3 sont tenues par le socle 2 au niveau de leur pied 6 ; les têtes 7 de ces aubes sont libres et tournent à l'intérieur d'un carter de compresseur (non représenté). Dans le sens de l'écoulement de la veine d'air les aubes
4 s'étendent entre un bord d'attaque 8 situé au niveau du moyeu 4 et un bord de fuite 9 situé au niveau du disque 5.
En se référant maintenant à la figure 2 on voit un bord de fuite 9 d'une aube de compresseur 3, selon l'art antérieur. Ce bord de fuite est, au niveau de son pied, incliné par rapport au plan méridien qui le traverse, dans le sens de rotation, d'un angle de pente a. Ce bord de fuite 9 est rectiligne, c'est-à-dire qu'il présente une même inclinaison, égale à
sa valeur a en pied d'aube, sur toute sa hauteur, depuis le pied jusqu'à la tête du bord de fuite 9.
En revanche, sur la figure 3, le bord de fuite 9 présente une forme évolutive le long de sa hauteur. Il est incliné d'un angle de pente a dans le sens de rotation, au niveau du pied 6 de l'aube 3, qui est défini comme dans l'art antérieur, mais cet angle se réduit progressivement en montant le long du bord de fuite pour atteindre une valeur 13 au niveau de la tête 7 de l'aube 3, qui est inférieure à a. Cette valeur 13 peut être nulle ou même négative, c'est-à-dire que la tête de l'aube est alors inclinée dans le sens inverse du sens de rotation du rouet.
L'invention proposée consiste donc à choisir, au niveau du bord de fuite 9, un angle de pente a élevé en pied d'aube 6, puis à
appliquer une courbure à l'aubage 3 de façon à retrouver un angle de pente plus faible, voire nul ou négatif, en tête d'aubage. La présence d'un angle de pente a élevé en pied d'aube 6 permet la diminution des contraintes de flexion en pied, tandis que l'angle de pente faible 13 au niveau de la tête 7 réduit les risques d'auto-engagement de l'aube 3 dans le carter en cas de contact accidentel entre la tête 7 de l'aube au bord de fuite 9 et le carter.
La réalisation d'un tel profil au bord de fuite 9 s'appuie sur la méthode d'usinage par points qui permet des géométries d'aubages 3D ;
par opposition l'usinage par flanc utilisé antérieurement, restreignait les possibilités en imposant des surfaces réglées (c'est-à-dire constituées d'un empilement de lignes droites) pour la conception du profil des aubes.
Cette modification de la géométrie du profil ne se traduit pas par un impact aérodynamique significatif Le recours à des aubes 3 selon l'invention contribue même, de façon surprenante, plutôt à une augmentation des performances du compresseur, résultant de la diminution de l'angle de pente le long de la hauteur du bord de fuite 9.
La double diminution des contraintes dans l'aubage et du caractère auto-engageant de la tête de l'aube, par application de l'invention, ont été vérifiées par calcul sur un aubage réel.
L'invention permet donc un gain de masse et d'inertie, ou à
iso-masse et iso-inertie une augmentation de la vitesse de rotation, sans dégrader le comportement en cas de contact entre l'aube 3 et le carter.
Plusieurs variantes peuvent être envisagées pour l'évolution de la courbure de l'aube 3 au bord de fuite 9 entre son pied 6 et sa tête 7. La courbure peut par exemple être constante, le bord de fuite ayant une forme d'arc de cercle, ou bien être continûment variable. Le choix de la courbure entre le pied et la tête de l'aube s'effectue en fonction de l'impact qu'elle a sur les performances aérodynamiques du compresseur.
Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
En se référant maintenant à la figure 2 on voit un bord de fuite 9 d'une aube de compresseur 3, selon l'art antérieur. Ce bord de fuite est, au niveau de son pied, incliné par rapport au plan méridien qui le traverse, dans le sens de rotation, d'un angle de pente a. Ce bord de fuite 9 est rectiligne, c'est-à-dire qu'il présente une même inclinaison, égale à
sa valeur a en pied d'aube, sur toute sa hauteur, depuis le pied jusqu'à la tête du bord de fuite 9.
En revanche, sur la figure 3, le bord de fuite 9 présente une forme évolutive le long de sa hauteur. Il est incliné d'un angle de pente a dans le sens de rotation, au niveau du pied 6 de l'aube 3, qui est défini comme dans l'art antérieur, mais cet angle se réduit progressivement en montant le long du bord de fuite pour atteindre une valeur 13 au niveau de la tête 7 de l'aube 3, qui est inférieure à a. Cette valeur 13 peut être nulle ou même négative, c'est-à-dire que la tête de l'aube est alors inclinée dans le sens inverse du sens de rotation du rouet.
L'invention proposée consiste donc à choisir, au niveau du bord de fuite 9, un angle de pente a élevé en pied d'aube 6, puis à
appliquer une courbure à l'aubage 3 de façon à retrouver un angle de pente plus faible, voire nul ou négatif, en tête d'aubage. La présence d'un angle de pente a élevé en pied d'aube 6 permet la diminution des contraintes de flexion en pied, tandis que l'angle de pente faible 13 au niveau de la tête 7 réduit les risques d'auto-engagement de l'aube 3 dans le carter en cas de contact accidentel entre la tête 7 de l'aube au bord de fuite 9 et le carter.
La réalisation d'un tel profil au bord de fuite 9 s'appuie sur la méthode d'usinage par points qui permet des géométries d'aubages 3D ;
par opposition l'usinage par flanc utilisé antérieurement, restreignait les possibilités en imposant des surfaces réglées (c'est-à-dire constituées d'un empilement de lignes droites) pour la conception du profil des aubes.
Cette modification de la géométrie du profil ne se traduit pas par un impact aérodynamique significatif Le recours à des aubes 3 selon l'invention contribue même, de façon surprenante, plutôt à une augmentation des performances du compresseur, résultant de la diminution de l'angle de pente le long de la hauteur du bord de fuite 9.
La double diminution des contraintes dans l'aubage et du caractère auto-engageant de la tête de l'aube, par application de l'invention, ont été vérifiées par calcul sur un aubage réel.
L'invention permet donc un gain de masse et d'inertie, ou à
iso-masse et iso-inertie une augmentation de la vitesse de rotation, sans dégrader le comportement en cas de contact entre l'aube 3 et le carter.
Plusieurs variantes peuvent être envisagées pour l'évolution de la courbure de l'aube 3 au bord de fuite 9 entre son pied 6 et sa tête 7. La courbure peut par exemple être constante, le bord de fuite ayant une forme d'arc de cercle, ou bien être continûment variable. Le choix de la courbure entre le pied et la tête de l'aube s'effectue en fonction de l'impact qu'elle a sur les performances aérodynamiques du compresseur.
Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
Claims (7)
1. Roue mobile pour compresseur centrifuge ou mixte axialo-centrifuge de turbomachine, comportant :
un socle sur lequel une pluralité d'aubes s'étendent entre un bord d'attaque et un bord de fuite, chaque aube comprenant un pied qui fixe l'aube sur le socle et une tête libre, ledit bord de fuite étant incliné
au niveau du pied de l'aube d'un angle de pente ci, par rapport à un plan méridien qui traverse ledit bord de fuite en le pied de l'aube, dans le sens de rotation du compresseur;
dans lequel le bord de fuite présente au niveau de la tête de l'aube un angle de pente p inférieur à l'angle de pente a en pied d'aube de manière à appliquer une courbure au bord de fuite entre le pied de l'aube et la tête de l'aube.
un socle sur lequel une pluralité d'aubes s'étendent entre un bord d'attaque et un bord de fuite, chaque aube comprenant un pied qui fixe l'aube sur le socle et une tête libre, ledit bord de fuite étant incliné
au niveau du pied de l'aube d'un angle de pente ci, par rapport à un plan méridien qui traverse ledit bord de fuite en le pied de l'aube, dans le sens de rotation du compresseur;
dans lequel le bord de fuite présente au niveau de la tête de l'aube un angle de pente p inférieur à l'angle de pente a en pied d'aube de manière à appliquer une courbure au bord de fuite entre le pied de l'aube et la tête de l'aube.
2. Roue mobile selon la revendication 1, dans lequel l'angle de pente f3 du bord de fuite en tête d'aube est proche de zéro.
3. Roue mobile selon la revendication 1, dans lequel l'angle de pente 13 du bord de fuite en tête d'aube est nul.
4. Roue mobile selon la revendication 1, dans lequel l'angle de pente [3 du bord de fuite en tête d'aube est négatif.
5. Roue mobile selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la courbure du bord de fuite est constante entre le pied et la tête dudit bord de fuite.
6. Roue mobile selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. dans lequel la courbure du bord de fuite est continûment variable entre le pied et la tête dudit bord de fuite.
7. Compresseur comprenant une roue mobile selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
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| KR (1) | KR101746870B1 (fr) |
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