EP1693572B1 - Prélèvement en tête des roues mobiles de compresseur haute pression de turboréacteur - Google Patents

Prélèvement en tête des roues mobiles de compresseur haute pression de turboréacteur Download PDF

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EP1693572B1
EP1693572B1 EP06100669.8A EP06100669A EP1693572B1 EP 1693572 B1 EP1693572 B1 EP 1693572B1 EP 06100669 A EP06100669 A EP 06100669A EP 1693572 B1 EP1693572 B1 EP 1693572B1
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turbomachine compressor
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compressor
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Armel Touyeras
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Safran Aircraft Engines SAS
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SNECMA SAS
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/68—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
    • F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/682—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps by fluid extraction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • F04D27/023—Details or means for fluid extraction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/522—Casings; Connections of working fluid for axial pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/526—Details of the casing section radially opposing blade tips
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
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    • F04D29/685—Inducing localised fluid recirculation in the stator-rotor interface
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S415/00—Rotary kinetic fluid motors or pumps
    • Y10S415/914—Device to control boundary layer

Definitions

  • the present invention relates to the specific field of turbomachines and more particularly relates to a device for sampling air in the aerodynamic stream of a high-pressure axial compressor of these turbomachines.
  • turbomachines turbojet engines or turboprop engines
  • turbomachines turbojet engines or turboprop engines
  • this game can significantly modify and degrade the operation of the compressor until the occurrence of a phenomenon of "pumping".
  • patent FR 2 564 533 which, to avoid pumping in an axial compressor, shows a specific shaping of the casing associated with a specific arrangement of an air flow system.
  • the subject of the present invention is a turbomachine compressor which makes it possible to obtain a noticeable improvement over the devices of the prior art from the efficiency and the margin of safety with respect to pumping, also known as pumping margin.
  • a turbomachine compressor comprising a plurality of blades and, spaced in an axial direction relative to a longitudinal central axis of the turbomachine, a plurality of blades, a fixed casing enveloping said plurality of blades.
  • said fixed housing comprises a plurality of sampling holes centered between 5 and 50% of the length of rope of the blade and a diameter less than or equal to 30% of said length of rope of the blade, each of said sampling holes having a double inclination with respect to said longitudinal central axis.
  • the ratio between the overall air flow rate of the compressor and the air flow rate taken is between 0.1 and 5%.
  • said fixed casing further comprises oblique lamellae arranged in line with said plurality of blades on both sides of each sampling hole and oriented at said angle ⁇ .
  • said sampling holes each comprise a first inclination axis having an angle ⁇ with respect to the longitudinal central axis of between 30 and 90 ° and a second axis of inclination perpendicular to the first and having an angle ⁇ relative to the central longitudinal axis between 30 and 90 °.
  • sampling holes may be arranged in staggered rows or formed of axisymmetric slots. These sampling holes can also be non-circular.
  • the figure 1 is a schematic view of a section of a high-pressure axial compressor 10 disposed about a longitudinal central axis (motor axis 12) of a turbomachine and delimited at its outer portion by a housing 14 forming a surface of revolution around this longitudinal central axis.
  • This compressor comprises several successive stages of compression (in an axial direction), each stage comprising distributed over the circumference a plurality of blades (rotor 16) rotatable about the motor axis and a plurality of blades (stator 18).
  • a clearance e exists between the upper end 20 of each moving blade and the fixed casing 14 which surrounds the compressor.
  • This game can be the place of violent turbulence which can deteriorate the configuration of the flow between the different stages and thus lead to a degradation of the performances of the compressor or, in the extreme, to cause a phenomenon known as "pumping" or "stalling". Consisting of an instantaneous fall in the compression ratio and an inversion of the air flow through the compressor which then leaves the upstream compressor.
  • the safety range in operation with respect to pumping is increased by the addition of an air sampling device disposed at the top of the blades, that is to say substantially at the level of from his leading edge 22.
  • This sampling device comprises a plurality of holes 24, preferably cylindrical, made in the fixed casing 14, centered between 5 and 50% of the length of rope of the blade and having a diameter less than or equal to 30% of the rope length of dawn, the rope of dawn being the line segment connecting the leading edge to the trailing edge of a moving blade.
  • the number of sampling holes is determined as a function of the air flow rate to be taken with respect to the overall air flow through the compressor. Typically, an air flow rate of between 0.1 and 5% guarantees operating efficiency of the device according to the different measurements made by the inventors.
  • sampling holes have a double inclination with a first axis projected in the blade vane plane having an angle ⁇ relative to the motor axis of between 30 and 90 ° (see FIG. figure 2 ) and a second axis projected in the meridian plane (perpendicularity to the first) having an angle ⁇ with respect to the motor axis of between 30 and 90 °.
  • this cylindrical configuration of sampling holes and this linear arrangement on a single row can not be limiting.
  • the figure 3 shows for example a provision of these sampling holes in two rows, the holes being staggered in the previously defined limit of 5 to 50% of the rope length of the blade.
  • these sampling holes have a non-circular shape, square or oblong, for example.
  • sampling holes in the form of an axisymmetric slit.
  • the air which conventionally sneaks by the clearance e above the ends 20 of the blades because of the pressure difference existing between the intrados and extrados faces of these blades is in fact Part sucked by the sampling holes 24.
  • the decrease in this parasitic flux between the two faces of the same blade has the immediate effect of increasing the stability and performance of the compressor.
  • the collected air can join, possibly via a system of protective sheets (not shown), existing sampling collectors of the turbomachine for use engine or other, for example avionics.
  • FIG. figure 5 which shows the variation of the compression ratio as a function of the efficiency of the compressor for a compressor of the prior art (curve 30) and for a compressor provided with the device according to the invention (curve 32) and the figure 6 which shows the variation of the compression ratio as a function of the compressor inlet flow rate for a compressor of the prior art (curve 40) and for a compressor provided with the device according to the invention (curve 42).
  • the effectiveness of the device can be further improved by directing the air directly to the sampling holes as illustrated by Figures 7 and 8 which show the addition of oblique lamellae 50 arranged on the fixed housing to the right of the plurality of blades on both sides of each sampling hole 24. These lamellae machined directly into the housing or connected thereto are oriented at the same angle ⁇ with respect to the motor axis 12 as the sampling holes.
  • this configuration can be implanted on a casing 14 comprising a withdrawal at the right of the dawn (called trench 52) as shown in FIG. figure 9 , or else including a groove 54 at the right of the blade (called crankcase treatment) as shown by the Figures 10 and 11 .
  • trench 52 a withdrawal at the right of the dawn
  • crankcase treatment a groove 54 at the right of the blade
  • the device of the invention can also be used at one or more transonic stages of a high pressure compressor or on a low pressure compressor.
  • the present invention can not be limited to the fastening and driving structure of the blades shown in FIG. figure 1 and a structure using so-called staples or hammer is also conceivable.

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Description

    Domaine de l'invention
  • La présente invention se rapporte au domaine spécifique des turbomachines et elle concerne plus particulièrement un dispositif de prélèvement d'air dans la veine aérodynamique d'un compresseur axial haute pression de ces turbomachines.
    • Art antérieur
  • Dans les compresseurs axiaux haute pression des turboréacteurs ou des turbopropulseurs (appelés dans la suite de la description turbomachines), il est connu que le jeu existant entre les extrémités des aubes mobiles du compresseur et le carter formant la paroi interne de la veine d'écoulement de l'air dégrade le rendement du moteur de la turbomachine. En outre, ce jeu peut notablement modifier et dégrader le fonctionnement du compresseur jusq'à l'apparition d'un phénomène de « pompage ». Une solution à ce problème est donnée par le brevet FR 2 564 533 qui, pour éviter le pompage dans un compresseur axial, montre un façonnement spécifique du carter associé à un agencement spécifique d'un système de débit d'air. Cet aménagement est toutefois relativement complexe et de mise en oeuvre délicate.
    • Objet et définition de l'invention
  • La présente invention a pour objet un compresseur de turbomachine permettant d'obtenir une amélioration notable par rapport aux dispositifs de l'art antérieur du rendement et de la marge de sécurité de fonctionnement vis à vis du pompage dite aussi marge au pompage.
  • Ces buts sont atteints par un compresseur de turbomachine comportant une pluralité d'aubes mobiles et, espacée dans une direction axiale par rapport à un axe central longitudinal de la turbomachine, une pluralité d'aubes fixes, un carter fixe enveloppant ladite pluralité d'aubes mobiles, caractérisé en ce que ledit carter fixe comporte une pluralité de trous de prélèvement centrés entre 5 et 50% de la longueur de corde de l'aube et d'un diamètre inférieur ou égal à 30% de ladite longueur de corde de l'aube, chacun desdits trous de prélèvement présentant une double inclinaison par rapport audit axe central longitudinal.
  • Ainsi, avec cette configuration de prélèvement en tête des aubes mobiles, la marge au pompage est augmentée et le rendement est amélioré sensiblement.
  • De préférence, le rapport entre le débit d'air global du compresseur et le débit d'air prélevé est compris entre 0,1 et 5 %.
  • Selon un mode de réalisation avantageux, ledit carter fixe comporte en outre des lamelles obliques disposées au droit de ladite pluralité d'aubes mobiles de part et d'autre de chaque trou de prélèvement et orientées selon ledit angle ϕ.
  • Avantageusement, lesdits trous de prélèvement comportent chacun un premier axe d'inclinaison présentant un angle ϕ par rapport à l'axe central longitudinal compris entre 30 et 90° et un second axe d'inclinaison perpendiculaire au premier et présentant un angle θ par rapport à l'axe central longitudinal compris entre 30 et 90°.
  • Selon le mode de réalisation envisagé, lesdits trous de prélèvement peuvent être disposés en quinconce ou formés de fentes axisymétriques. Ces trous de prélèvement peuvent aussi être non circulaires.
    • Brève description des dessins
  • Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique fragmentaire d'une section de compresseur selon l'invention comportant plusieurs étages d'aubes mobiles encadré chacun par deux étages d'aubes fixes,
    • la figure 2 est une vue de dessus du carter de la figure 1 dans un premier mode de réalisation de l'invention,
    • la figure 3 est une vue de dessus du carter de la figure 1 dans un deuxième mode de réalisation de l'invention,
    • la figure 4 est une vue de dessus du carter de la figure 1 dans un troisième mode de réalisation de l'invention,
    • les figures 5 et 6 sont des courbes illustrant l'évolution du taux de compression en fonction respectivement du rendement et du débit d'entrée du compresseur selon l'art antérieur et avec l'invention, et
    • la figure 7 est une vue de l'intérieur du carter de la figure 1 dans une variante du premier mode de réalisation de l'invention,
    • la figure 8 est une coupe selon le plan VIII-VIII de la figure 7,
    • la figure 9 est une section semblable à celle de la figure 7 pour une première variante de réalisation du carter, et
    • les figures 10 et 11 sont des vues semblables à celle de la figure 9 pour deux autres variantes de réalisation du carter.
    Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel
  • La figure 1 est une vue schématique d'une section d'un compresseur axial haute pression 10 disposé autour d'un axe central longitudinal (axe moteur 12) d'une turbomachine et délimitée à sa partie extérieure par un carter 14 formant une surface de révolution autour de cet axe central longitudinal. Ce compresseur comporte plusieurs étages successifs de compression (dans une direction axiale), chaque étage comportant réparties sur toute la circonférence une pluralité d'aubes mobiles (rotor 16) pouvant tourner autour de l'axe moteur et une pluralité d'aubes fixes (stator 18). Un jeu e existe entre l'extrémité supérieure 20 de chaque aube mobile et le carter fixe 14 qui enveloppe le compresseur. Ce jeu peut être le lieu de violentes turbulences qui peuvent détériorer la configuration de l'écoulement entre les différents étages et donc entraîner une dégradation des performances du compresseur ou, à l'extrême, provoquer un phénomène dit de « pompage » ou de « décrochage » constitué par une chute instantanée du taux de compression et une inversion du débit d'air traversant le compresseur qui sort alors par l'amont du compresseur.
  • Selon l'invention, la plage de sécurité en fonctionnement vis-à-vis du pompage est augmentée par l'adjonction d'un dispositif de prélèvement d'air disposé en tête des aubes mobiles, c'est-à-dire sensiblement au niveau de son bord d'attaque 22.
  • Ce dispositif de prélèvement comporte une pluralité de trous 24, de préférence cylindriques, pratiqués dans le carter fixe 14, centrés entre 5 et 50% de la longueur de corde de l'aube et d'un diamètre inférieur ou égal à 30% de la longueur de corde de l'aube, la corde de l'aube étant le segment de droite reliant le bord d'attaque au bord de fuite d'une aube mobile. Le nombre des trous de prélèvement est déterminé en fonction du débit d'air à prélever par rapport au débit d'air global traversant le compresseur. Typiquement, un débit d'air compris entre 0,1 et 5 % garantit une efficacité de fonctionnement du dispositif selon les différentes mesures effectuées par les inventeurs.
  • Ces trous de prélèvement présentent une double inclinaison avec un premier axe projeté dans le plan aube à aube présentant un angle ϕ par rapport à l'axe moteur compris entre 30 et 90° (voir la figure 2) et un second axe projeté dans le plan méridien (perpendicularité au premier) présentant un angle θ par rapport à l'axe moteur compris entre 30 et 90°. Le choix des angles optimaux ϕ et θ est effectué notamment en fonction de la charge aérodynamique désirée (i.e au travail de compression de l'air fourni par le rotor) donnée par la relation suivante :
    ψ = ΔH/V2 avec ΔH l'augmentation d'enthalpie au passage du rotor et V la vitesse de rotation du compresseur.
  • Bien entendu, cette configuration cylindrique des trous de prélèvement et cette disposition linéaire sur une seule rangée ne sauraient être limitatives. La figure 3 montre par exemple une disposition de ces trous de prélèvement selon deux rangées, les trous étant disposés en quinconce dans la limite définie précédemment de 5 à 50% de la longueur de corde de l'aube. Sur la figure 4, ces trous de prélèvement ont une forme non circulaire, carré ou oblong par exemple.
  • On peut aussi envisager des trous de prélèvement en forme de fente axisymétrique. Avec ces exemples de réalisation de la présente invention, l'air qui se faufile classiquement par le jeu e au-dessus des extrémités 20 des aubes mobiles du fait de la différence de pression existant entre les faces intrados et extrados de ces aubes, est en partie aspiré par les trous de prélèvement 24. La diminution de ce flux parasite entre les deux faces d'une même aube a pour effet immédiat d'augmenter la stabilité et les performances du compresseur. En outre, l'air prélevé peut rejoindre, éventuellement via un système de tôles protectrices (non représentées), les collecteurs de prélèvement existants de la turbomachine pour une utilisation moteur ou autre, par exemple avionique.
  • Ainsi, l'amélioration obtenue par ce dispositif de prélèvement est particulièrement importante et procure une augmentation notable du rendement de l'aube et de la plage de fonctionnement du compresseur comme l'illustrent la figure 5, qui montre la variation du taux de compression en fonction du rendement du compresseur pour un compresseur de l'art antérieur (courbe 30) et pour compresseur muni du dispositif selon l'invention (courbe 32) et la figure 6 qui montre la variation du taux de compression en fonction du débit d'entrée du compresseur pour un compresseur de l'art antérieur (courbe 40) et pour un compresseur muni du dispositif selon l'invention (courbe 42).
  • L'efficacité du dispositif peut encore être amélioré en orientant l'air directement vers les trous de prélèvement comme l'illustre les figures 7 et 8 qui montrent l'adjonction de lamelles obliques 50 disposées sur le carter fixe au droit de la pluralité d'aubes mobiles de part et d'autre de chaque trou de prélèvement 24. Ces lamelles usinées directement dans le carter ou rapportées à celui-ci sont orientées selon le même angle ϕ par rapport à l'axe moteur 12 que les trous de prélèvement.
  • On notera que cette configuration comme les précédentes peuvent être implantées sur un carter 14 comprenant un retrait au droit de l'aube (appellé trench 52) comme le montre la figure 9, ou encore comprenant un rainurage 54 au droit de l'aube (appellé traitement de carter) comme le montrent les figures 10 et 11. On notera que sur la figure 10, le rainurage est répartie autour du trou de prélèvement 24 alors que, sur la figure 11, le trou de prélèvement débouche en fond de rainurage.
  • Bien entendu, si la description ci-dessus a été faite essentiellement en référence à un compresseur axial haute pression, le dispositif de l'invention peut trouver application aussi au niveau d'un ou plusieurs étages transsoniques d'un compresseur haute pression ou sur un compresseur basse pression. De même, la présente invention ne saurait être limitée à la structure de fixation et d'entrainement des aubes mobiles représentée sur la figure 1 et une structure mettant en oeuvre des attaches dites brochées ou marteau est tout aussi envisageable.

Claims (9)

  1. Compresseur de turbomachine comportant au moins une pluralité d'aubes mobiles (16) et, espacée dans une direction axiale par rapport à un axe central longitudinal de la turbomachine (12), une pluralité d'aubes fixes (18), un carter fixe (14) enveloppant ladite pluralité d'aubes mobiles, caractérisé en ce que ledit carter fixe comporte une pluralité de trous de prélèvement (24) centrés entre 5 et 50% de la longueur de corde de l'aube et d'un diamètre inférieur ou égal à 30% de ladite longueur de corde de l'aube, chacun desdits trous de prélèvement présentant une double inclinaison par rapport audit axe central longitudinal.
  2. Compresseur de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits trous de prélèvement comportent chacun un premier axe d'inclinaison présentant un angle ϕ par rapport à l'axe central longitudinal compris entre 30 et 90° et un second axe d'inclinaison perpendiculaire au premier et présentant un angle θ par rapport à l'axe central longitudinal compris entre 30 et 90°.
  3. Compresseur de turbomachine selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport entre le débit d'air global de la turbomachine et le débit d'air prélevé est compris entre 0,1 et 5 %.
  4. Compresseur de turbomachine selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit carter fixe comporte en outre des lamelles obliques (50) disposées au droit de ladite pluralité d'aubes mobiles de part et d'autre de chaque trou de prélèvement et orientées selon ledit angle ϕ.
  5. Compresseur de turbomachine selon l'une quelconque de revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit carter fixe comporte en outre un rainurage (54) disposé autour de de chaque trou de prélèvement.
  6. Compresseur de turbomachine selon l'une quelconque de revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits trous de prélèvement sont disposés en quinconce.
  7. Compresseur de turbomachine selon l'une quelconque de revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits trous de prélèvement sont non circulaires.
  8. Compresseur de turbomachine selon l'une quelconque de revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits trous de prélèvement sont formés de fentes axisymétriques.
  9. Turbomachine comportant un compresseur axial haute pression selon l'une quelconque de revendications 1 à 8.
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