EP2901021A1 - Carter et roue a aubes de turbomachine - Google Patents

Carter et roue a aubes de turbomachine

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EP2901021A1
EP2901021A1 EP13779269.3A EP13779269A EP2901021A1 EP 2901021 A1 EP2901021 A1 EP 2901021A1 EP 13779269 A EP13779269 A EP 13779269A EP 2901021 A1 EP2901021 A1 EP 2901021A1
Authority
EP
European Patent Office
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groove
downstream
abradable material
blades
housing
Prior art date
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Granted
Application number
EP13779269.3A
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German (de)
English (en)
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EP2901021B1 (fr
EP2901021B2 (fr
Inventor
Vincent Paul Gabriel Perrot
Sébastien COCHON
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA Services SA
SNECMA SAS
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Publication date
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Application filed by SNECMA Services SA, SNECMA SAS filed Critical SNECMA Services SA
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Publication of EP2901021B1 publication Critical patent/EP2901021B1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F01D11/122—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
    • F04D29/161—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/164—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps of an axial flow wheel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—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

Definitions

  • the invention relates to an assembly comprising a turbomachine casing and a paddle wheel disposed therein.
  • the housing can house one or more paddle wheels, mounted (s) rotation relative to the interior of the housing.
  • the vanes are arranged in such a way that their ends pass as close as possible to the internal wall of the casing.
  • turbomachine casings To prevent these contacts from damaging the wall of the casing, in a manner known per se, the internal surface of turbomachine casings is in some cases equipped with a strip of abradable material (that is to say, intended to undergo abrasion), arranged inside the casing at the end of the blades.
  • abradable material that is to say, intended to undergo abrasion
  • the length of the blades is then determined so that the blades, at full speed of the turbomachine, come into contact with the band of abradable material.
  • the band of abradable material wears until it reaches a shape that allows it to no longer come into contact with the blades.
  • the shape thus obtained is that which allows a minimum clearance between the end of the blades and the housing.
  • the international application WO2012 / 025357 has presented a casing comprising a paddle wheel, and wherein the end of the blades is arranged to be substantially shorter on the blade. downstream side only on the upstream side.
  • the object of the invention is therefore to provide a housing arrangement and / or blades that allows to minimize the clearance between the blades and the housing, which limits as much as possible the contacts and friction between the blades and the housing, and keeps the blades at maximum efficiency.
  • an assembly comprising a turbomachine casing and a bladed wheel disposed in said casing, the casing having an inner wall comprising a circumferential band of abradable material; and wherein, opposite the ends of the blades, the casing has upstream, the strip of abradable material, and downstream, a circumferential groove; the strip of abradable material being delimited downstream by the circumferential groove, and a downstream limit of the circumferential groove being arranged axially at right angles or downstream of the trailing edge of the vanes.
  • the casing / impeller assembly defined above which comprises, at the ends of the blades, a strip of material abradable on the upstream side, and a circumferential groove on the downstream side, has the following advantages.
  • the band of abradable material is placed at the ends of the blades on an upstream part thereof. However, it is at the upstream portion of the end of the blades that the reduction of the clearance between the end of the blades and the housing is the most useful.
  • the casing comprises a groove arranged immediately downstream of the band of abradable material.
  • the bottom of the groove is thus hollow with respect to the band of abradable material.
  • the groove has a radius greater than the band of abradable material (more precisely, than the inner surface thereof).
  • This radius difference causes blades having a substantially constant radius from the leading edge to the trailing edge, may have ends having an upstream portion very close to the band of abradable material, so as to wear this band when setting implementation of the turbomachine, in a manner known per se, and a downstream portion not or very unlikely to come into contact with the surfaces of the groove and thus the housing.
  • downstream limit of the circumferential groove may be located at right, or substantially right, of the downstream limit of the blade tips.
  • downstream limit of the circumferential groove is disposed axially downstream of the trailing edge of the blades.
  • downstream limit of the circumferential groove is preferably at an axial distance, relative to the trailing edge of the blades, between 5 and 20% of the axial rope of the blade blade dawn. This distance allows the circumferential groove to have a sufficient clearance range of the top of the blade relative to its nominal position.
  • the housing has an optimized contact surface, and advantageously comprises a strip of abradable material of minimum axial extent, which allows to minimize contact and friction between the blades and the housing.
  • the groove except a groove surface formed by the band of abradable material, may have a concave axial section.
  • a bottom of the groove may comprise a cylindrical portion.
  • the groove except for a groove surface formed by the band of abradable material, may have a concave axial section at any point from upstream to downstream.
  • the groove can be connected on the downstream side to the inner wall of the housing by a concave fillet, in particular having a section arcuate.
  • the groove can be connected on the downstream side to the inner wall of the housing by a substantially frustoconical surface.
  • the bottom of the groove may have a radius less than the maximum radius of the band of abradable material.
  • a groove surface may be formed by the strip of abradable material and be frustoconical in shape, the angle of the truncated cone being at least 45 °, and preferably at least 60 °.
  • this surface of the groove formed by the band of abradable material may be formed in a plane transverse to the housing, and be perpendicular to the axis of the housing.
  • the groove can be waterproof, or have a sealed bottom.
  • the groove is not connected to gas or fluid circulation ducts. It does not allow the sampling or the supply of gas, but is only used to allow free rotation of the blade ends avoiding shocks between them and the housing.
  • the band of abradable material covers 30% to 70% of the axial extent of the blades.
  • the invention further relates to a turbomachine axial flow compressor, comprising a housing or the assembly (casing and impeller) defined above.
  • the invention finally relates to a turbomachine comprising at least one housing as defined above.
  • FIG. 1 is a schematic view of a compressor portion comprising a housing according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic axial section of a compressor portion passing through a blade in a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a section similar to that of Figure 2, showing a second embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a section similar to that of Figure 2, showing a third embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a section similar to that of Figure 2, showing a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a section similar to that of Figure 2, showing a fifth embodiment of the invention.
  • FIG. 1 represents a turbomachine axial flow compressor
  • the latter comprises a casing 12, inside which is mounted a paddle wheel 14.
  • the paddle wheel 14 itself comprises a rotor disk 16, on which are fixed in known manner radial blades 18 , axisymmetrically.
  • the impeller is arranged to be rotatable about an axis of rotation A inside the housing 12.
  • the housing 12 has an inner wall 20 defining a gas passage vein.
  • This inner wall forms a surface of revolution, which has a generally conical general shape, and in the present case cylindrical, at (axially) level of the impeller 14.
  • each of the blades 18 has a leading edge 18A, a trailing edge 18B, and an end 19.
  • the radially inner portion of the casing 12 consists mainly of two parts: a substantially cylindrical sleeve 22 of metal or metal alloy (titanium alloy, aluminum, steel, etc.), and a strip 24 of abradable material, different from the material of the part 22, for example an Al-Si based alloy.
  • the sleeve 22 Upstream and downstream of the blades 18, the sleeve 22 has a radially inner surface 23 that is substantially cylindrical. The radius R thereof is slightly greater than the maximum radius of the impeller 14, measured at the end of the blades 18. The sleeve 22 has no channel or internal passage used to ensure a flow of gas to the right of the paddle wheel 14.
  • the sleeve 22 Facing or at the ends of the vanes 18, the sleeve 22 comprises a housing 26.
  • the latter has the shape of a circular circumferential groove, having a shape of revolution about the axis A, and formed recess in the sleeve 22.
  • This housing 26 has a bottom surface 27 which is generally of substantially cylindrical shape.
  • the band 24 which is also in the form of a sleeve, is disposed in the housing 26 and occupies the upstream portion thereof.
  • the casing has upstream, the band 24 of abradable material, and downstream, a circumferential groove 30, which is simply the downstream part of the housing 26.
  • the band 24 has a radially inner surface 25.
  • the thickness (in the radial direction) of the sleeve 24 is determined such that when the sleeve 24 is disposed in the housing 26, the inner surfaces 23 of the sleeve 22 and 25 of the band 24 are in continuity with one another, and have the same radius R ( Figure 2).
  • the difference in radius between the surface 23 (inside the sleeve 22) and the bottom surface 27 of the housing 26, at the level of the band 24, is thus equal to the thickness of the band 24.
  • the upstream limit of the surface 25 of the strip 24 is arranged axially substantially right of the leading edge 18A of the vanes 18, or slightly upstream of it.
  • the surface 25 of the strip 24 may have a discontinuity (position and / or tangency) relative to the surface 23.
  • the band 24 may have a slightly smaller inner radius or slightly greater than the radius R of the surface 23 of the sleeve 22.
  • the downstream limit of the band 24 is located approximately halfway (along the axis A) between the leading edge 18A and the trailing edge 18B of the blade 18.
  • the band 24 of abradable material covers at least 30% of the axial extent of the blades.
  • the groove 30 Immediately downstream of the band 24 is the groove 30. The latter is delimited upstream by the band 24, and at the bottom and the downstream side by the sleeve 22.
  • the groove 30 generally comprises, from upstream to downstream, three successive parts: an upstream part 32 delimited by the band 24, a bottom 34, and a downstream part 36.
  • the upstream portion is formed by the downstream surface of the strip 24. Inversely, the bottom 34 and the downstream portion 36 are not formed of abradable material.
  • this surface is disposed in a plane transverse to the axis A of the housing 12.
  • the upstream surface 32 forms at the upstream end of the groove 30 a stair step 'outgoing', at which the fluid flow diameter increases abruptly.
  • the bottom surface 34 is a part of the bottom surface of the housing 26.
  • the housing 26 has a cylindrical bottom surface and therefore in these embodiments, the surfaces bottom 27 are cylindrical.
  • downstream surface 36 of the groove 30 may be, like the surface 32, disposed in a plane transverse to the axis A of the casing 12 (embodiment of FIG. 2).
  • the downstream surface 36 of the groove 30 forms at the downstream end of the groove 30 a 'reentrant' stair step, at which the fluid flow diameter decreases. brutally to become equal to that of the inner surface of the piece 22.
  • the downstream limit of the surface 36 of the groove 30 is disposed axially substantially to the right of the trailing edge 18B of the blades 18, or slightly downstream thereof.
  • the groove 30 thus has a concave axial section.
  • Figures 3 to 7 show different embodiments of the groove 30.
  • the downstream surface 36 is of frustoconical shape, of axis A.
  • the groove 30 is connected on the downstream side to the inner wall 20 of the housing by a substantially frustoconical surface, forming in axial section a constant slope connecting the bottom 34 to the wall 20 of the housing. This form advantageously limits the formation of turbulence at the downstream part of the end of the blades 18.
  • downstream surface 36 is a concave fillet, having an arcuate section.
  • the upstream limit of this connection fillet is in continuity of position and tangency with the bottom 34 of the groove 30.
  • the axial extent of the bottom surface 34 is smaller than in the first embodiment, and conversely the axial extent of the downstream surface 36 is increased.
  • the surface 34 is completed upstream of the trailing edge of the blades 18, and not to the right thereof.
  • the downstream surface 36 of the groove 30 thus extends from the downstream limit of the bottom surface 34 upstream of the trailing edge of the vanes 18 to the level (axially) of this trailing edge or downstream thereof. this.
  • downstream limit of the circumferential groove is disposed not at the trailing edge 18B of the vanes, but downstream thereof.
  • the downstream limit of the circumferential groove is thus disposed at an axial distance along the axis A, counted from the trailing edge 18B of the blades, between 5 and 20% of the axial rope of the blades. taken at the top of dawn.
  • the value of the 'axial cord of the blades' corresponds to the distance along the axis A, such that shown in the figures, between the leading edge 18A and the trailing edge 18B of the blades.
  • FIG. 5 is similar to that of FIG. 4. The only difference is the shape of the bottom of the housing 26.
  • the bottom of the housing 26 is divided into two parts: an upstream portion which receives the band 24, and a downstream part which forms groove 30. These two parts are both cylindrical in shape; the upstream portion has a larger inner diameter than the downstream portion, and therefore these two portions are separated by a shoulder 38.
  • This shoulder 38 serves to maintain the position in position of the band 34, in particular in the axial direction.
  • Figure 6 shows an embodiment in which the bottom 34 and downstream 36 surfaces are continuous; no limit between them is perceptible.
  • This surface 40 has a strictly concave axial section
  • this surface section does not include a line segment.
  • Its shape is any shape, which ideally is determined in use or by calculation so as to ensure that in all modes of operation of the turbomachine, the surfaces 34 and 36 (and therefore the surface 40) remain without contact with the blades 18.
  • FIG. 7 shows an embodiment which differs from that shown in FIG. 3 by the shape of the upstream surface 32 of the groove 30.
  • the upstream surface 32 is frustoconical, of axis A. It forms with the latter an angle at the apex of 45 °.
  • the angle a is preferably at least 45 °.
  • the end 19 of the blades 18 is located radially strictly inside the wall 20.
  • the blade length (measured in the radial direction) is constant.
  • the blades may have a length
  • the blades may thus have a total radius (overall radius of vanes mounted on the impeller) axially variable.
  • the blades may also have a total radius possibly greater or at least locally higher (that is to say only over a certain axial interval along the axis of the impeller) to the radius the inner surface of the housing immediately upstream or downstream of the impeller. The end of the blades then penetrates at least locally inside the wall of the housing.
  • the blades may also have a non-uniform radial clearance with the housing, as shown in the embodiments presented above.
  • the total blade radius may be smaller than or greater than the inner radius (R) of the crankcase surface immediately upstream or downstream of the blades.
  • the total radius of the blades may also vary between one of these configurations depending on the position on the axis of the impeller.

Landscapes

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Abstract

L'invention vise un ensemble comportant un carter (12) de turbomachine et une roue à aubes (14) disposée dans celui-ci. Le carter (12) présente une paroi interne (20) comportant une bande (24) circonférentielle de matériau abradable. En regard des extrémités des aubes, le carter présente en amont, la bande de matériau abradable, et en aval, une rainure circonférentielle (30). La bande de matériau abradable est délimitée en aval par la rainure circonférentielle (30). La limite aval de la rainure circonférentielle (30) se trouve au droit ou en aval du bord de fuite (18B) des aubes (18). Cet agencement optimise l'utilisation de matériau abradable dans le carter de turbomachines.

Description

Carter et roue à aubes de turbomachine
L'invention concerne un ensemble comportant un carter de turbomachine et une roue à aubes disposée dans celui-ci.
Le carter peut abriter une ou plusieurs roues à aubes, montée(s) à rotation relative à l'intérieur du carter.
Pour optimiser le rendement de la turbomachine, en général les aubes sont agencées de telle manière que leurs extrémités passent aussi près que possible de la paroi interne du carter.
Cela entraîne que parfois, lors des premières heures de fonctionnement d'une turbomachine de moteur d'avion ou d'un turbomoteur d'hélicoptère, les extrémités des aubes rentrent en contact avec la paroi interne du carter, suite notamment à leur dilatation thermique et à leur allongement sous l'effet des forces centrifuges.
Pour éviter que ces contacts n'endommagent la paroi du carter, de manière connue en soi la surface interne de carters de turbomachines est dans certains cas équipée d'une bande de matériau abradable (c'est-à- dire, prévu pour subir une abrasion), agencée à l'intérieur du carter au droit de l'extrémité des aubes.
La longueur des aubes est alors déterminée de telle sorte que les aubes, à plein régime de la turbomachine, entrent en contact avec la bande de matériau abradable.
Sous l'effet de ces frottements, lors des premières heures de fonctionnement de la turbomachine, la bande de matériau abradable s'use jusqu'à atteindre une forme qui permet qu'elle n'entre plus en contact avec les aubes. La forme ainsi obtenue est celle qui permet un jeu minimum entre l'extrémité des aubes et le carter.
Cependant, les contacts et frottements qui se produisent entre la bande de matériau abradable et l'extrémité des aubes entraînent une usure, des vibrations voire des chocs préjudiciables à la pérennité et au bon fonctionnement de la turbomachine.
Il est donc nécessaire de minimiser l'importance de ceux-ci.
Dans ce but, la demande internationale WO2012/025357 a présenté un carter comprenant une roue à aubes, et dans lequel l'extrémité des aubes est aménagée de manière à être sensiblement plus courte sur le côté aval que sur le côté amont. Cette solution permet de garantir l'existence d'un jeu au moins entre la partie aval de l'extrémité des aubes et le carter.
Cependant, elle nécessite de réduire la surface des aubes et donc le travail apporté au fluide par celles-ci, diminuant ainsi le rendement de la roue à aubes.
L'objectif de l'invention est donc de proposer un agencement de carter et/ou d'aubes qui permette de minimiser le jeu entre les aubes et le carter, qui limite autant que possible les contacts et frottements entre les aubes et le carter, et conserve aux aubes une efficacité maximale.
Cet objectif est atteint par un ensemble comportant un carter de turbomachine et une roue à aubes disposée dans ledit carter, le carter présentant une paroi interne comportant une bande circonférentielle de matériau abradable ; et dans lequel, en regard des extrémités des aubes, le carter présente en amont, la bande de matériau abradable, et en aval, une rainure circonférentielle ; la bande de matériau abradable étant délimitée en aval par la rainure circonférentielle, et une limite aval de la rainure circonférentielle étant disposée axialement au droit ou en aval du bord de fuite des aubes.
L'ensemble carter/roue à aubes défini ci-dessus, qui comporte, au droit des extrémités des aubes, une bande en matériau abradable du côté amont, et une rainure circonférentielle du côté aval, présente les avantages suivants.
La bande de matériau abradable est placée au droit des extrémités d'aubes, sur une partie amont de celles-ci. Or, c'est au niveau de la partie amont de l'extrémité des aubes que la réduction du jeu entre l'extrémité des aubes et le carter est la plus utile.
Par conséquent, c'est dans la partie amont de l'extrémité des aubes que l'utilisation d'une bande de matériau abradable est la plus justifiée. Elle permet, dans cette partie, d'obtenir un jeu minimum entre l'extrémité des aubes et le carter.
Inversement, dans la partie aval de l'extrémité des aubes, l'existence d'un jeu entre l'extrémité des aubes et le carter présente moins d'importance. Avantageusement selon l'invention, on privilégie donc dans cette partie la recherche d'une absence de collisions entre l'extrémité des aubes et le carter. Dans ce but, selon l'invention le carter comporte une rainure aménagée immédiatement en aval de la bande de matériau abradable. Le fond de la rainure est donc en creux par rapport à la bande de matériau abradable. En d'autres termes, la rainure présente un rayon plus grand que la bande de matériau abradable (plus précisément, que la surface interne de celle-ci).
Cet écart de rayon entraîne que des aubes présentant un rayon sensiblement constant du bord d'attaque au bord de fuite, pourront avoir des extrémités ayant une partie amont très proche de la bande de matériau abradable, de manière à user cette bande lors de la mise en œuvre de la turbomachine, de manière connue en soi, et une partie aval non ou très peu susceptible d'entrer en contact avec les surfaces de la rainure et donc le carter.
Pour une efficacité aérodynamique optimale de la roue à aubes, la limite aval de la rainure circonférentielle peut être située au droit, ou sensiblement au droit, de la limite aval des extrémités d'aubes.
Selon une variante, pour éviter tout choc entre celles-ci et le carter, on peut aussi prévoir que la limite aval de la rainure circonférentielle soit disposée axialement en aval du bord de fuite des aubes.
On dispose alors la limite aval de la rainure circonférentielle de préférence à une distance axiale, par rapport au bord de fuite des aubes, comprise entre 5 et 20% de la corde axiale de l'aube prise en sommet d'aube. Cette distance permet que la rainure circonférentielle présente une plage de débattement suffisante du sommet de l'aube par rapport à sa position nominale.
Grâce à l'invention, le carter présente une surface de contact optimisée, et comporte avantageusement une bande de matériau abradable d'étendue axiale minimale, ce qui permet de minimiser les contacts et frottements entre les aubes et le carter.
Les différents perfectionnements suivants peuvent avantageusement être prévus, seuls ou en combinaison :
- la rainure, hormis une surface de rainure formée par la bande de matériau abradable, peut présenter une section axiale concave.
- un fond de la rainure peut comprendre une portion cylindrique. - la rainure, hormis une surface de rainure formée par la bande de matériau abradable, peut présenter une section axiale concave en tout point de l'amont à l'aval.
- la rainure peut être reliée du côté aval à la paroi interne du carter par un congé de raccordement concave, notamment ayant une section en arc de cercle.
- la rainure peut être reliée du côté aval à la paroi interne du carter par une surface sensiblement tronconique.
- le fond de la rainure peut présenter un rayon inférieur au rayon maximum de la bande de matériau abradable.
- une surface de rainure peut être formée par la bande de matériau abradable et être de forme tronconique, l'angle du tronc de cône étant d'au moins 45°, et de préférence au moins 60°. Par extension, cette surface de la rainure formée par la bande de matériau abradable peut être formée dans un plan transverse au carter, et être perpendiculaire à l'axe du carter.
- la rainure peut être étanche, ou présenter un fond étanche. En d'autres termes, la rainure n'est pas reliée à des conduits de circulation de gaz ou de fluide. Elle ne permet pas le prélèvement ou l'apport de gaz, mais sert uniquement à permettre la libre rotation des extrémités d'aubes en évitant les chocs entre celles-ci et le carter.
- la bande de matériau abradable recouvre 30% à 70% de l'étendue axiale des aubes.
L'invention vise en outre un compresseur à flux axial de turbomachine, comportant un carter ou l'ensemble (carter et roue à aubes) définis précédemment.
L'invention vise enfin une turbomachine comprenant au moins un carter tel que défini précédemment.
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 vue schématique d'une portion de compresseur comprenant un carter selon l'invention ; - la figure 2 est une coupe schématique axiale d'une portion de compresseur, passant par une aube, dans un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 3 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un troisième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 5 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un quatrième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un cinquième mode de réalisation de l'invention ; et
- la figure 7 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un sixième mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente un compresseur à flux axial de turbomachine
10. Celui-ci comprend un carter 12, à l'intérieur duquel est montée une roue à aubes 14. La roue à aubes 14 comprend elle-même un disque rotor 16, sur lequel sont fixées de manière connue en soi des aubes radiales 18, de manière axisymétrique. La roue à aubes est agencée de manière à pouvoir tourner suivant un axe de rotation A à l'intérieur du carter 12.
Le carter 12 présente une paroi interne 20 délimitant une veine de passage de gaz. Cette paroi interne forme une surface de révolution, qui a une forme générale sensiblement conique, et dans le cas présent cylindrique, au niveau (axialement) de la roue à aubes 14.
L'agencement des aubes 18 et de la paroi interne 20 du carter 12 selon l'invention, dans différents modes de réalisation, est présenté dans les figures 2 à 7.
Dans les différentes figures, les éléments identiques ou similaires comportent la même référence numérique. En outre, les différents carters présentés respectivement par les figures 3 à 7 sont identiques à celui présenté par la figure 2, à l'exception des différences signalées dans le texte.
Sur chacune des figures 2 à 7, le côté amont du carter 12 (par rapport au sens prévu de circulation des gaz dans le carter) est disposé sur le côté gauche de la figure. Chacune des aubes 18 présente un bord d'attaque 18A, un bord de fuite 18B, et une extrémité 19.
Au niveau (axialement) de la roue à aubes 14, la partie radialement interne du carter 12 est constituée principalement de deux pièces : un manchon sensiblement cylindrique 22 en métal ou alliage métallique (alliage de titane, aluminium, acier, etc.), et une bande 24 en matériau abradable, différent du matériau de la pièce 22, par exemple un alliage à base Al-Si.
En amont et en aval des aubes 18, le manchon 22 présente une surface radialement intérieure 23 sensiblement cylindrique. Le rayon R de celle-ci est légèrement supérieur au rayon maximal de la roue à aubes 14, mesuré à l'extrémité des aubes 18. Le manchon 22 ne comporte aucun canal ou passage interne servant à assurer une circulation de gaz au droit de la roue à aubes 14.
En regard ou au droit des extrémités des aubes 18, le manchon 22 comporte un logement 26. Celui-ci a la forme d'une rainure circonférentielle circulaire, ayant une forme de révolution autour de l'axe A, et formée en creux dans le manchon 22. Ce logement 26 présente une surface de fond 27 qui est de forme générale sensiblement cylindrique.
La bande 24, qui est également en forme de manchon, est disposée dans le logement 26 et occupe la partie amont de celui-ci.
Par suite, en regard des extrémités des aubes 18, le carter présente en amont, la bande 24 de matériau abradable, et en aval, une rainure circonférentielle 30, qui est simplement la partie aval du logement 26.
La bande 24 présente une surface radialement intérieure 25. L'épaisseur (suivant la direction radiale) du manchon 24 est déterminée de telle manière que lorsque le manchon 24 est disposé dans le logement 26, les surfaces intérieures 23 du manchon 22 et 25 de la bande 24 soient dans la continuité l'une de l'autre, et présentent un même rayon R (figure 2). La différence de rayon entre la surface 23 (intérieur du manchon 22) et la surface de fond 27 du logement 26, au niveau de la bande 24, est ainsi égale à l'épaisseur de la bande 24.
La limite amont de la surface 25 de la bande 24 est disposée axialement sensiblement au droit du bord d'attaque 18A des aubes 18, voire légèrement en amont de celui-ci. Notons que dans le cadre de l'invention, la surface 25 de la bande 24 peut présenter une discontinuité (de position et/ou de tangence) par rapport à la surface 23. Par exemple, la bande 24 pourrait présenter un rayon intérieur légèrement inférieur, ou légèrement supérieur, au rayon R de la surface 23 du manchon 22.
La limite aval de la bande 24 est située environ à mi-distance (suivant l'axe A) entre le bord d'attaque 18A et le bord de fuite 18B de l'aube 18. De manière générale, il est préférable que la bande 24 en matériau abradable recouvre au moins 30% de l'étendue axiale des aubes. D'autre part, il est peu utile qu'elle occupe plus de 70% de l'étendue axiale des aubes.
Immédiatement en aval de la bande 24 se trouve la rainure 30. Celle-ci est délimitée en amont par la bande 24, et au fond et du côté aval par le manchon 22.
La rainure 30 comporte généralement, de l'amont vers l'aval, trois parties successives : Une partie amont 32 délimitée par la bande 24, un fond 34, et une partie aval 36.
La partie amont est formée par la surface aval de la bande 24. Inversement, le fond 34 et la partie aval 36 ne sont pas formés en matériau abradable.
Ils sont formés directement dans le manchon 22.
Dans les modes de réalisation des figures 2 à 6, cette surface est disposée dans un plan transverse à l'axe A du carter 12. Par suite, la surface amont 32 forme à l'extrémité amont de la rainure 30 une marche d'escalier 'sortante', au niveau de laquelle le diamètre de passage du fluide augmente brutalement.
La surface de fond 34 est une partie de la surface de fond du logement 26. Dans les modes de réalisation des figures 2 à 4 et 7, le logement 26 présente une surface de fond cylindrique et par suite dans ces modes de réalisation, les surfaces de fond 27 sont cylindriques.
Enfin, la surface aval 36 de la rainure 30 peut être, comme la surface 32, disposée dans un plan transverse à l'axe A du carter 12 (mode de réalisation de la figure 2). Par suite, la surface aval 36 de la rainure 30 forme à l'extrémité aval de la rainure 30 une marche d'escalier 'rentrante', au niveau de laquelle le diamètre de passage du fluide diminue brutalement pour redevenir égal à celui de la surface intérieure de la pièce 22.
La limite aval de la surface 36 de la rainure 30 est disposée axialement sensiblement au droit du bord de fuite 18B des aubes 18, voire légèrement en aval de celui-ci.
La rainure 30 présente donc une section axiale concave.
Les figures 3 à 7 présentent différents modes de réalisation de la rainure 30.
Les modes de réalisation des figures 3 et 4 diffèrent de celui de la figure 2 par l'agencement de la surface aval 36 de la rainure 30 :
- Sur la figure 3, la surface aval 36 est de forme tronconique, d'axe A. Ainsi, la rainure 30 est reliée du côté aval à la paroi interne 20 du carter par une surface sensiblement tronconique, formant en section axiale une pente constante reliant le fond 34 à la paroi 20 du carter. Cette forme avantageusement limite la formation de turbulences au niveau de la partie aval de l'extrémité des aubes 18.
- Sur la figure 4, la surface aval 36 est un congé de raccordement concave, ayant une section en arc de cercle. La limite amont de ce congé de raccordement est en continuité de position et de tangence avec le fond 34 de la rainure 30.
En outre dans ces deux modes de réalisation, l'étendue axiale de la surface de fond 34 est plus faible que dans le premier mode de réalisation, et inversement l'étendue axiale de la surface aval 36 est accrue. En effet dans ces modes de réalisation, la surface 34 s'achève en amont du bord de fuite des aubes 18, et non au droit de celui-ci. La surface aval 36 de la rainure 30 s'étend donc depuis la limite aval de la surface de fond 34 en amont du bord de fuite des aubes 18, jusqu'au niveau (axialement) de ce bord de fuite ou en aval de celui-ci.
D'autre part, dans les modes de réalisation des figures 3, 4 et 6, la limite aval de la rainure circonférentielle est disposée non pas au droit du bord de fuite 18B des aubes, mais en aval de celui-ci.
Dans ces différents modes de réalisation, la limite aval de la rainure circonférentielle est ainsi disposée à une distance axiale suivant l'axe A, comptée à partir du bord de fuite 18B des aubes, comprise entre 5 et 20% de la corde axiale des aubes prise en sommet d'aube. La valeur de la 'corde axiale des aubes' correspond à la distance suivant l'axe A, telle que représentée sur les figures, entre le bord d'attaque 18A et le bord de fuite 18B des aubes.
Le mode de réalisation de la figure 5 est voisin de celui de la figure 4. La seule différence tient à la forme du fond du logement 26.
En effet, contrairement aux modes de réalisation des figures 2 à 4, dans le mode de réalisation de la figure 5, le fond du logement 26 est divisé en deux parties : une partie amont qui reçoit la bande 24, et une partie aval qui forme la rainure 30. Ces deux parties sont toutes deux de forme cylindrique ; la partie amont a un diamètre intérieur plus élevé que la partie aval, et par suite, ces deux parties sont séparées par un épaulement 38.
Cet épaulement 38 sert à assurer le maintien en position de la bande 34, notamment suivant la direction axiale.
La figure 6 présente un mode de réalisation dans lequel les surfaces de fond 34 et aval 36 sont continues ; aucune limite entre celles-ci n'est perceptible.
La réunion des surfaces 34 et 36 constitue une surface 40.
Cette surface 40 présente une section axiale strictement concave
(localement) en tout point de l'amont à l'aval et par suite, cette section de surface ne comporte pas de segment de droite. Sa forme est une forme quelconque, qui idéalement est déterminée à l'usage ou par calcul de manière à assurer que dans tous les modes de fonctionnement de la turbomachine, les surfaces 34 et 36 (et donc la surface 40) restent sans contact avec les aubes 18.
Enfin, la figure 7 présente un mode de réalisation qui diffère de celui présenté par la figure 3 par la forme de la surface amont 32 de la rainure 30.
En effet, au lieu que cette surface amont soit perpendiculaire à l'axe A du carter, la surface amont 32 est tronconique, d'axe A. Elle forme avec ce dernier un angle au sommet a de 45°.
Pour éviter de surdimensionner inutilement la bande de matériau abradable 24, l'angle a est de préférence au moins égal à 45°.
Dans les différents modes de réalisation présentés, l'extrémité 19 des aubes 18 est située radialement strictement à l'intérieur de la paroi 20. De plus, la longueur des aubes (mesurée suivant la direction radiale) est constante.
Aucune de ces deux caractéristiques n'est indispensable à l'invention.
Dans le cadre de l'invention, les aubes peuvent avoir une longueur
(mesurée suivant la direction radiale) qui varie en fonction de la position considérée sur l'axe de la roue à aubes. Les aubes peuvent ainsi présenter un rayon total (rayon hors tout des aubes montées sur la roue à aubes) axialement variable.
Dans le cadre de l'invention, les aubes peuvent par ailleurs présenter un rayon total éventuellement supérieur ou du moins localement supérieur (c'est-à-dire seulement sur un certain intervalle axial suivant l'axe de la roue à aubes) au rayon de la surface interne du carter immédiatement en amont ou en aval de la roue à aubes. L'extrémité des aubes pénètre alors au moins localement à l'intérieur de la paroi du carter.
Les aubes peuvent d'autre part présenter un jeu radial non uniforme avec le carter, comme le montrent les modes de réalisation présentés précédemment.
Par conséquent, le rayon total des aubes peut être inférieur ou supérieur au rayon intérieur (R) de la surface de carter immédiatement en amont ou en aval des aubes. Le rayon total des aubes peut aussi varier entre l'une et l'autre de ces configurations en fonction de la position sur l'axe de la roue à aubes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Ensemble comportant un carter (12) de turbomachine et une roue à aubes (14) disposée dans ledit carter, le carter (12) présentant une paroi interne (20) comportant une bande (24) circonférentielle de matériau abradable ; caractérisé en ce qu'en regard d'extrémités des aubes, le carter présente en amont, la bande de matériau abradable, et en aval, une rainure circonférentielle (30) ; la bande de matériau abradable étant délimitée en aval par la rainure circonférentielle (30), et une limite aval de la rainure circonférentielle (30) étant disposée axialement au droit ou en aval du bord de fuite (18B) des aubes (18).
2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la rainure, hormis une surface (32) de rainure formée par la bande de matériau abradable, présente une section axiale concave.
3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel un fond (34) de la rainure comprend une portion cylindrique.
4. Ensemble selon la revendication 2, dans lequel la rainure (30), hormis une surface de rainure formée par la bande de matériau abradable, présente une section axiale concave en tout point de l'amont à l'aval.
5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la rainure est reliée du côté aval à la paroi interne (20) du carter par un congé de raccordement concave (36), notamment ayant une section en arc de cercle.
6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la rainure est reliée du côté aval à la paroi interne du carter par une surface (36) sensiblement tronconique.
7. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel un fond (34) de la rainure présente un rayon inférieur au rayon maximum de la bande de matériau abradable.
8. Ensemble selon l'une quelconque des revendication 1 à 7, dans lequel une surface de rainure formée par la bande de matériau abradable est tronconique, l'angle (a) du tronc de cône étant d'au moins 45°, et de préférence au moins 60°.
9. Ensemble selon l'une quelconque des revendication 1 à 8, la rainure 30 présente un fond étanche.
10. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la bande de matériau abradable recouvre 30% à 70% de l'étendue axiale desdites aubes.
11. Turbomachine comprenant au moins un ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
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