EP2715146A1 - Rouet de compresseur centrifuge - Google Patents

Rouet de compresseur centrifuge

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EP2715146A1
EP2715146A1 EP12728683.9A EP12728683A EP2715146A1 EP 2715146 A1 EP2715146 A1 EP 2715146A1 EP 12728683 A EP12728683 A EP 12728683A EP 2715146 A1 EP2715146 A1 EP 2715146A1
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EP
European Patent Office
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wheel
centrifugal compressor
impeller
web
blades
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EP12728683.9A
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Mathieu HERRAN
Laurent Pierre Tarnowski
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Safran Helicopter Engines SAS
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Turbomeca SA
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Publication date
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Definitions

  • German patent DE 906 975 proposes a wheel whose sail is more advanced in the axial direction at the periphery than at an intermediate diameter of the impeller.
  • FIG. 3 is a longitudinal section of a centrifugal compressor according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 1 A turbomachine, more specifically in the form of a turbine engine 1, is illustrated schematically for explanatory purposes in FIG. 1.
  • This turbine engine 1 comprises, in the direction of flow of a working fluid, an axial compressor 2, a centrifugal compressor 3, a combustion chamber 4, a first axial turbine 5, and a second axial turbine 6.
  • the turbine engine 1 also comprises a first rotary shaft 7 and a second rotary shaft 8 coaxial with the first rotary shaft 7.
  • the rotary shafts 7 and 8 rotate at speeds of the order of 5000 to 60000 revolutions per minute.
  • the rotating parts of the compressors 2. and 3 and the turbines 5 and 6 are therefore subjected to great efforts by the centrifugal forces.
  • FIG 2 one can appreciate how these centrifugal forces act on the wheel 101 of a conventional centrifugal compressor known to those skilled in the art.
  • This wheel 101 has a sail 102 substantially axisymmetric and having a front face 103 and a rear face 104.
  • the blades 105 are fixed by the blade roots 115 on the front face 103 of the sail 102.
  • the blades 205 are fixed by the blade roots 215 on the front face 203 of the 202 and each also have a blade head 216 opposite to the blade root 215, a leading edge 206 with a substantially radial orientation and a trailing edge 207 with a substantially axial orientation, located radially outwardly and axially behind the leading edge 206.
  • the compressor 3 comprises a conventional radial diffuser 212 with straightening vanes 213.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

L'invention concerne le domaine des compresseurs centrifuges et plus particulièrement, un rouet 201 de compresseur centrifuge 3 comportant un voile 202 et des aubes 205 solidaires du voile 202 sur une face avant 203 du voile 202. Un point d'intersection du bord de fuite 207 et du pied d'aube 215 est plus avancé d'au moins une demi-épaisseur de voile 202 en que le pied d'aube 215 à un diamètre intermédiaire D, du rouet 201, et un point d'intersection du bord de fuite 207 et de la tête d'aube 216 est aussi plus avancé que la tête d'aube 216 à un diamètre intermédiaire Di du rouet 201.

Description

ROUET DE COMPRESSEUR CENTRIFUGE
Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine des compresseurs centrifuges.
L'invention concerne plus particulièrement un rouet de compresseur centrifuge comportant un voile et des aubes solidaires du voile sur une face avant du voile, ayant chacune un bord d'attaque et un bord de fuite, ainsi qu'un compresseur centrifuge comprenant un tel rouet, et une turbomachine comprenant un tel compresseur centrifuge. On entend par turbomachine, dans ce contexte, des machines telles que, par exemple, des turboréacteurs à simple ou double flux, des turbopropulseurs, des turbomoteurs et/ou des turbocompresseurs.
Dans la description qui suit les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation normal de fluide à travers le compresseur. Les termes « avant », « arrière », « axial et « radial » sont définis par rapport à l'axe de rotation du rouet.
Un compresseur centrifuge comporte normalement une partie fixe et une partie tournante dénommée rouet et comprenant les aubes tournantes du compresseur. En fonctionnement, le rouet tourne typiquement à une vitesse élevée. Il est donc soumis à des contraintes d'ordre centrifuge.
La forme du rouet d'un compresseur centrifuge est dictée par l'écoulement du fluide à travers le compresseur. Typiquement, dans un tel compresseur centrifuge, le fluide entre dans le compresseur dans une direction sensiblement axiale, c'est-à-dire, parallèle à l'axe de rotation du rouet. La veine et les aubes tournantes dirigent le fluide radialement vers l'extérieur, de telle manière que le fluide quitte le rouet dans une direction sensiblement orthogonale à l'axe de rotation de du rouet. Les aubes ont donc des bords d'attaque sensiblement radiaux et des bords de fuite sensiblement axiaux, plus éloignés de l'axe de rotation du rouet en direction radiale et situés axialement derrière les bords d'attaque.
Le voile solidarise les aubes tournantes entre elles et avec l'arbre du compresseur. Pour cela chacune des aubes est solidaire du voile et située sur une face avant de ce voile. Le voile sert aussi à délimiter le pied de la veine d'écoulement du fluide à travers le rouet. Il est donc normalement axisymétrique et incurvé progressivement vers l'extérieur dans la direction axiale. Par cette forme du voile et des aubes, l'accélération centrifuge génère un couple de flexion sur le rouet tendant à fléchir la périphérie du rouet vers l'avant. Ce couple de flexion s'accroît de manière continue de la périphérie du rouet vers la connexion du voile à l'arbre du compresseur, et oblige à maintenir des jeux importants à régime partiel pénalisant les performances de la machine. Afin de résister à ce couple, il a été typiquement proposé de renforcer le voile et les moyens de fixation du rouet à l'arbre rotatif. Toutefois, renforcer d'une telle manière les parties tournantes d'un rouet de compresseur impose une pénalité en masse très importante, car la masse qui sera ajoutée à proximité de la veine d'air nécessitera par ailleurs un grossissement de l'alésage du rouet.
Afin d'éviter cet inconvénient, il a été proposé, dans le brevet US 4,060,337, de supprimer en grande partie le voile du rouet et relier les aubes uniquement à la base et en périphérie. Toutefois, ce compresseur souffre d'une baisse importante des performances aérodynamiques du rouet par circulation de l'intrados à l'extrados de chaque aube.
Dans la demande de brevet britannique GB 2472621 A, il a été proposé de relier le rouet à l'arbre rotatif à travers deux jantes avec un décalage axial afin de limiter la présence de matière sur le rouet uniquement dans les zones fonctionnelles. La demande de brevet américain US 2010/0098546 Al propose de rendre le voile du rouet creux dans sa périphérie, de manière à ce que la masse de la périphérie du rouet soit limitée et positionnée de façon optimale ce qui permet d'optimiser le compresseur. Toutefois, les réductions de masse qui peuvent être obtenues de ces deux manières sont pénalisées par la difficulté de fabrication de la pièce finale monobloc. Le brevet allemand DE 906 975 propose un rouet dont le voile est plus avancé en direction axiale en périphérie qu'à un diamètre intermédiaire du rouet. Toutefois, ce rouet nécessite aussi un disque de renfort fixé sur les têtes d'aube, afin de restreindre la déformation de la périphérie du rouet en direction axiale, ce qui peut être difficile d'adapter à un compresseur existant ou à une turbomachine dans le domaine aéronautique, dans lequel la restriction des masses est une des principales priorités. La demande de brevet américaine US 2007/0077147 Al et le brevet britannique GB 553,747 illustrent d'autres rouets à voiles avancés en périphérie, mais qui ne sont toutefois pas proposés pour résoudre le problème de la déformation axiale du rouet à hauts régimes.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Selon un premier aspect, un point d'intersection du bord de fuite et du pied d'aube est plus avancé que le pied d'aube à un diamètre intermédiaire du rouet. En particulier, il peut être plus avancé d'au moins une demi-épaisseur de voile. En outre, un point d'intersection du bord de fuite et de la tête d'aube est aussi plus avancé que la tête d'aube à un diamètre intermédiaire du rouet. De cette manière, le couple de flexion en périphérie du rouet est inversé, et sa valeur absolue maximale est réduite, ce qui limite les déformations du rouet en direction axiale, tout en maintenant un bon rendement aérodynamique.
Selon un deuxième aspect, en périphérie du rouet, la face avant est orientée en direction sensiblement radiale. On obtient ainsi un redressement de l'écoulement du fluide en sortie du rouet qui permet l'utilisation d'un diffuseur radial classique en aval du rouet.
Selon un troisième aspect, ile rouet comporte en outre en outre une jante reliée à une face arrière du voile et apte à être fixée à l'arbre rotatif. En particulier, la jante peut comprendre un poireau de fixation radiale. Une fixation efficace et comparativement légère du rouet à l'arbre rotatif du compresseur peut ainsi être obtenue. Selon un quatrième aspect, le compresseur centrifuge comporte en outre un couvercle recouvrant les aubes de manière à délimiter, avec le voile, une veine de fluide entre les bords d'attaque el les bords de fuite des aubes. Les pertes aérodynamiques du compresseur centrifuge peuvent ainsi être sensiblement réduites en limitant de cette manière un débordement de fluide de l'intrados à l'extrados de chaque aube. En particulier le couvercle peut alors comporter au moins un point de fixation plus proche des bords de fuite des aubes du rouet que des bords d'attaque des aubes du rouet. Comme le déplacement axial de la périphérie radiale du rouet à haut régime peut être limité par la non- bijectivité en direction axiale de la courbe formée par la face avant du voile, la fixation axiale du couvercle peut être positionnée plus proche de la périphérie du rouet, ce qui permet de limiter le jeu entre le couvercle et les aubes du rouet en périphérie du rouet dans des régimes partiels et ainsi augmenter le rendement: aérodynamique. Alternativement, le couvercle peut être solidaire des aubes, de manière à former un rouet flasqué. Brève description des dessins
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'une turbomachine comportant un compresseur centrifuge ;
- la figure 2 est une coupe longitudinale d'un rouet de compresseur centrifuge de l'art antérieur ;
- la figure 3 est une coupe longitudinale d'un compresseur centrifuge suivant un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 est une coupe longitudinale d'un rouet de compresseur centrifuge suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention Une turbomachine, plus spécifiquement sous forme d'un turbomoteur 1, est illustrée schématiquement à titre explicatif sur la figure 1. Ce turbomoteur 1 comporte, dans le sens d'écoulement d'un fluide de travail, un compresseur axial 2, un compresseur centrifuge 3, une chambre de combustion 4, une première turbine axiale 5, et une deuxième turbine axiale 6. En outre, le turbomoteur 1 comprend aussi un premier arbre rotatif 7 et un deuxième arbre rotatif 8 coaxial au premier arbre rotatif 7.
Le deuxième arbre rotatif 8 relie le compresseur axial 2 et le compresseur centrifuge 3 à la première turbine axiale 5, de manière à ce que la détente du fluide de travail dans cette première turbine axiale 5 en aval de la chambre de combustion 4 serve à actionner les compresseurs 2 et 3 en amont de la chambre de combustion 4. Le premier arbre rotatif 7 relie la deuxième turbine axiale 6 à une sortie de puissance 9 positionnée en aval et/ou en amont de la machine, de telle manière que la détente subséquente du fluide de travail dans la deuxième turbine axiale 6 en aval de la première turbine axiale 5 serve à actionner la sortie de puissance 9.
Ainsi, les compressions consécutives du fluide de travail dans les compresseurs axial 2 et centrifuge 3, suivies par un réchauffement du fluide de travail dans la chambre de combustion 4, et sa détente dans la deuxième turbine axiale 6 permettent la conversion d'une partie de l'énergie thermique introduite par la combustion dans la chambre de combustion 4 en travail mécanique extrait par la sortie de puissance 9. Dans la turbomachine illustrée, le fluide moteur est de l'air, auquel on ajoute et dans lequel on brûie un carburant dans la chambre de combustion 4, carburant tel que, par exemple, un hydrocarbure.
En fonctionnement, les arbres rotatifs 7 et 8 tournent à des vitesses de l'ordre de 5000 à 60000 tours par minute. Les parties tournantes des compresseurs 2. et 3 et des turbines 5 et 6 sont donc soumises à des efforts importants par les forces centrifuges. Tournant désormais vers la figure 2, on peut apprécier comment ces forces centrifuges agissent sur le rouet 101 d'un compresseur centrifuge classique connu de la personne du métier. Ce rouet 101 comporte un voile 102 sensiblement axisymétrique et présentant une face avant 103 et une face arrière 104. Les aubes 105 sont fixées par les pieds d'aube 115 sur la face avant 103 du voile 102. Chaque aube 105 présente aussi une tête d'aube 116 opposée au pied d'aube 115, un bord d'attaque 106 avec une orientation sensiblement radiale et un bord de fuite 107 avec une orientation sensiblement axiale, situé radialement à l'extérieur et axialement derrière le bord d'attaque 106. En fonctionnement, le fluide de travail est donc aspiré par le front
108 du rouet 101 et dirigé par les aubes 105 vers la périphérie 109 du rouet 101, suivant une veine de fluide définie à l'intérieur par le voile 102 et à l'extérieur par un couvercle non-rotatif 110 du compresseur centrifuge proche des têtes d'aube 116.
Sur sa face arrière, le voile 102 est solidaire d'une jante 111 avec un poireau de fixation à l'arbre rotatif. La jante 111 et le poireau définissent donc un plan A de transmission des efforts radiaux du rouet 101 à l'arbre rotatif. A cause des hautes vitesses de rotation du rouet 101, les forces centrifuges exercées sur le rouet 101 représentent une partie prépondérante de ces efforts radiaux. Toutefois, comme la force centrifuge Fc est proportionnelle au carré de la vitesse angulaire de rotation ω multiplié par la distance à l'axe de rotation X du rouet 101, suivant la formule ω2Γ, les forces centrifuges exercées sur la périphérie
109 du rouet 101 vont être prépondérantes. Ainsi, dans le rouet 101 classique illustré, les forces centrifuges Fc agissant sur la périphérie 109 du rouet 101 créeront un couple de flexion MF dans le rouet 101 tendant à basculer la périphérie 109 du rouet 101 vers l'avant. Ce couple de flexion MF augmente continuellement de la périphérie 109 du rouet 101 à la jonction du voile 102 avec la jante 111. Afin de limiter la flexion du rouet 101, le voile 102, la jante 111 et le poireau doivent être renforcés, ce qui se traduit par une augmentation considérable de la masse totale du rouet 101. En outre, pour accommoder le déplacement vers l'avant de la périphérie 109 du rouet 101, il est normalement nécessaire d'accorder en périphérie du rouet 101 un jeu important dp à régime partiel entre les têtes d'aube 105b et le couvercle 110, ce qui se traduit par des pertes aérodynamiques importantes, ou même d'arranger des structures de fixation du couvercle 110 assez complexes, afin d'induire un déplacement du couvercle 110 vers l'avant lors d'une montée en régime du compresseur. La figure 3 montre le compresseur centrifuge 3 avec un rouet 201 suivant un premier mode de réalisation de l'invention. Ce rouet 201 comporte aussi un voile 202 sensiblement axisymétrique et présentant une face avant 203 et une face arrière 204. Comme dans le rouet illustré sur la figure 2, les aubes 205 sont fixées par les pieds d'aube 215 sur la face avant 203 du voile 202 et présentent chacune aussi une tête d'aube 216 opposée au pied d'aube 215, un bord d'attaque 206 avec une orientation sensiblement radiale et un bord de fuite 207 avec une orientation sensiblement axiale, situé radialement à l'extérieur et axialement derrière le bord d'attaque 206. Autour de la périphérie du rouet 201, le compresseur 3 comporte un diffuseur radial 212 classique avec des aubes de redressement 213. En fonctionnement, le fluide de travail est donc aussi aspiré par le front 208 du rouet 201 et dirigé par les aubes 205 vers la périphérie 209 du rouet 201, suivant une veine de fluide définie à l'intérieur par le voile 202 et à l'extérieur par le couvercle non-rotatif 210, pour arriver au diffuseur radial 212.
Sur sa face arrière, le voile 202 est aussi solidaire d'une jante 211 avec un poireau de fixation à l'arbre rotatif. Toutefois, dans ce rouet 201, le voile 202 est incurvé de manière à ce qu'un segment périphérique du voile 202 soit incliné vers l'avant à partir d'un diamètre intermédiaire D,, présentant ainsi une face avant 203 concave. Ainsi, en périphérie 209 du rouet 201, cette face avant 203 est avancée d'une distance L par rapport au diamètre intermédiaire D,. Cette distance L est substantielle, et en particulier elle est supérieure à la moitié de l'épaisseur d du voile 202 en périphérie 209 du rouet 201. En conséquence, sur un segment périphérique 202c tourné vers l'avant, les efforts centrifuges Fc génèrent un couple de flexion MF tendant à fléchir ce segment périphérique 202c, non pas vers l'avant, mais en sens opposé, vers l'arrière. Le module de ce couple de flexion MF augmente à partir de la périphérie 209 jusqu'au diamètre intermédiaire D,, où il atteint un maximum local. Ensuite, il diminue toutefois jusqu'à ce éventuellement inverser le sens du couple de flexion MF. Ainsi, comme le couple de flexion MF n'augmente pas continuellement de la périphérie 209 à la jonction du voile 202 avec la jante 211, il atteint des niveaux sensiblement moindres que dans le rouet 101 de l'état de la technique, permettant ainsi l'utilisation d'une jante 211 et un poireau de fixation plus légers. En outre, comme le déplacement axial de la périphérie 209 du rouet 201 est réduit, le jeu dp entre le sommet des aubes 205 en périphérie du rouet 201 et le couvercle 210 peut aussi être réduit, et ce couvercle 210 peut être fixé de manière comparativement rigide sur un point de fixation 214 plus proche de l'arrière du couvercle 210 et donc: des bords de fuite 207 que de l'avant du couvercle 210 et les bords d'attaque 206. Un avantage additionnel réside dans l'encombrement axial réduit du rouet 201, et en particulier dans la distance axiale réduite entre l'entrée du fluide de travail au front du rouet 201 et sa sortie en périphérie 209 du rouet 201. En particulier dans une turbomachine telle que le turbomoteur 1 illustré sur la figure 1, cela permet d'avancer sensiblement les éléments en aval du compresseur, c'est-à-dire, dans le mode de réalisation illustré, les parties chaudes comme la chambre de combustion 4, et la première et deuxième turbines axiales 5 et 6, pour ainsi réduire l'encombrement axial global de la turbomachine. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, le bord extérieur du segment périphérique 202c du voile 202 est incurvé de manière à réorienter la face avant 203 du voile 202 en direction radiale, et ainsi redresser la veine de fluide en direction radiale pour pouvoir utiliser le diffuseur radial 212 classique illustré. Toutefois, dans un mode de réalisation alternatif, illustré sur la figure 4, dans laquelle chaque élément équivalent reçoit le même chiffre de référence que sur la figure 3, la veine de fluide n'est pas redressée en direction radiale, ce qui permet de faciliter la production du rouet, même si le diffuseur en aval du rouet devra être adapté.
Un compresseur centrifuge avec un rouet 201 tel que ceux illustrés sur les figures 3 et 4 peut être utilisé, entre autres, dans des turbomachines telles que le turbomoteur 1 illustré sur la figure 1 , mais aussi des turboréacteurs à simple ou double flux, des turbopropulseurs, des turbomoteurs et/ou des turbocompresseurs. Par sa masse réduite, il sera particulièrement avantageux dans une utilisation aéronautique, telle que, par exemple, pour la propulsion d'aéronefs à voilure fixe et/ou tournante, avec ou sans pilote, plus légers ou plus lourds que l'air. Toutefois, d'autres applications non aéronautiques connues de la personne du métier peuvent aussi être envisagées, telles que, par exemple, la propulsion de véhicules terrestres et/ou marins, y compris des engins à coussin d'air, la génération électrique, les stations de pompage, et/ou d'autres applications industrielles. Un tel compresseur centrifuge peut constituer le seul étage d'un système de compression, ou bien un ou plusieurs des étages d'un système de compression à plusieurs étages, axiaux, mixtes ou centrifuges, c'est-à-dire comprenant au moins un étage centrifuge et un étage axial ou un étage mixte.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Rouet (201) de compresseur centrifuge (3) comportant un voile (202) et des aubes (205) solidaires du voile (202) sur une face avant (203) du voile (202), ayant chacune un pied d'aube (215), une tête d'aube (216), un bord d'attaque (206) et un bord de fuite (207), le rouet (201) étant caractérisé en ce qu'un point d'intersection du bord de fuite (207) et du pied d'aube (215) est plus avancé d'au moins une demi-épaisseur de voile (202) que le pied d'aube (215) à un diamètre intermédiaire (D,) du rouet (201), et un point d'intersection du bord de fuite (207) et de la tête d'aube (216) est aussi plus avancé que la tête d'aube (216) à un diamètre intermédiaire (D,) du rouet (201).
2. Rouet (201) de compresseur centrifuge (3) suivant la revendication 1, dans lequel, dans une périphérie (209) du rouet (201), le pied d'aube (215) est orienté en direction sensiblement radiale.
3. Rouet (201) de compresseur centrifuge (3) suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comportant en outre une jante
(211) reliée à une face arrière (204) du voile (202) et apte à être fixée à un arbre rotatif.
4. Rouet (201) de compresseur centrifuge (3) suivant la revendication 3, dans lequel la jante (211) comprend un poireau de fixation radiale.
5. Compresseur centrifuge (3) comprenant un rouet (201) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4.
6. Compresseur centrifuge (3) suivant la revendication 5, comportant en outre un couvercle (210) recouvrant les aubes (205) de manière à délimiter, avec le voile (202), une veine de fluide entre les bords d'attaque (206) et les bords de fuite (207) des aubes (205).
7. Compresseur centrifuge (3) suivant la revendication 6, dans lequel le couvercle (210) comporte au moins un point de fixation (214) plus proche des bords de fuite (207) des aubes (205) du rouet (201) que des bords d'attaque (206) des aubes (205) du rouet (201).
8. Compresseur centrifuge (3) suivant la revendication 6, dans lequel le couvercle est solidaire des aubes (205).
9. Turbomachine comportant un compresseur centrifuge (3) suivant une quelconque des revendications 5 à 8.
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