EP4599171A1 - Traitement de carter non axisymetrique a ouverture pilotee - Google Patents

Traitement de carter non axisymetrique a ouverture pilotee

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EP4599171A1
EP4599171A1 EP23793425.2A EP23793425A EP4599171A1 EP 4599171 A1 EP4599171 A1 EP 4599171A1 EP 23793425 A EP23793425 A EP 23793425A EP 4599171 A1 EP4599171 A1 EP 4599171A1
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EP
European Patent Office
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casing
openings
movable ring
slots
compressor
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Pending
Application number
EP23793425.2A
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German (de)
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Inventor
Simon Pierre Michel MARTIN
Gabriel Perez
William Henri Joseph RIERA
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Safran SA
Original Assignee
Safran SA
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Publication date
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    • F04D29/56—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable
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    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/10—Purpose of the control system to cope with, or avoid, compressor flow instabilities
    • F05D2270/101—Compressor surge or stall

Definitions

  • Turbomachine compressors are made up of rotating blades inside a casing which seals the air flow with the outside of the engine.
  • the internal surface of the casing can be locally treated by digging cavities arranged in the thickness of the casing facing the blades.
  • Documents FR 2 989 742, GB 2 408 546 and US 2016/153465 provide examples of casing treatment.
  • the slots of the casing treatment can be opened or closed using the movable ring.
  • This makes it possible to have active crankcase treatment when operability conditions require it, for example during takeoff, to avoid the pumping phenomenon and to have inactive crankcase treatment when the compressor is no longer loaded, for example. example at cruising speed, to favor the efficiency of the compressor.
  • the invention makes it possible to control the opening of the casing treatment.
  • the casing also comprises at least one spring assembling the movable ring to the casing configured so that the openings of the casing are open when the spring is at rest.
  • the camshaft makes it possible to move the movable ring along the circumference of the casing, and more particularly the cam makes it possible to move the movable ring by an amplitude at least equal to the width of an opening in the casing so as to to completely open or close the openings of the crankcase, and therefore so as to completely open or close the slots of the crankcase treatment.
  • the actuator can play the same role as the camshaft, and therefore allows the movable ring to be moved along the circumference of the crankcase to be able to close or open the slots in the crankcase treatment.
  • it makes it possible to move the movable ring by an amplitude at least equal to the width of an opening in the casing.
  • the dimensions of the slots of the movable ring and of the openings of the casing are equal.
  • Figure 2B represents, schematically and partially, the open slots of the compressor casing treatment of Figure 1.
  • Each opening of the casing 100 has a width greater than or equal to the width of the associated slot of the movable ring 120 (or slot facing said opening), and each opening of the casing 100 has a length greater than or equal to the length of the associated slot of the movable ring 120 (or slot facing said opening). This ensures that the openings of the casing 100 are completely open when it is desired to activate the casing treatment.
  • the distance between each opening of the casing 100 is greater than or equal to the width of the associated slot of the movable ring 120. This makes it possible to guarantee that the openings of the casing 100 are completely closed when it is desired to deactivate the treatment of carter.
  • the slots 202 of the movable ring 220 have the same width and length as the openings 201 of the casing 200.
  • the distance between the openings 201 of the casing 200 is identical to the distance between the slots 202 of the movable ring 220.
  • the casing 300 comprises openings dug or cut in the thickness of the casing 300 from the internal face 3001 of the casing 300.
  • the openings are arranged next to each other along the crankcase circumference 300.
  • the openings in the casing can all be identical.
  • the casing can be in one piece.
  • the number of openings of the casing (and therefore of the movable ring) is between 40 and 850, for example between 45 and 810, for example between 60 and 210.
  • the treatment The casing requires between 3 and 8 slots per rotor blade and a rotor has between 15 and 90 blades. This range of values therefore makes it possible to cover all possibilities.
  • the casing and the movable ring can be made of the same material. This allows both parts to undergo the same thermal and mechanical stresses and therefore to ensure that the opening or closing Closing the crankcase treatment will always be possible, even in the event of thermal expansion.

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Abstract

Carter (200) de compresseur de turbomachine comprenant des ouvertures (201) creusées dans l'épaisseur du carter à partir d'une face interne (2001) du carter et disposées les unes à côté des autres sur une circonférence du carter, caractérisé en ce qu'il comprend également un anneau mobile (220), formé par au moins deux portions annulaires, présent sur une face externe (2002) du carter en regard des ouvertures et apte à se déplacer le long de la circonférence du carter de manière à ouvrir et fermer les ouvertures du carter pour activer ou désactiver un traitement de carter, l'anneau mobile comprenant un même nombre de fentes (202) que d'ouvertures dans le carter.

Description

Description
Titre de l'invention : Traitement de carter non axisymétrique à ouverture pilotée
Domaine Technique
La présente invention se rapporte au domaine général des compresseurs de turbomachines, et plus particulièrement au traitement du carter des compresseurs de turbomachines.
Technique antérieure
Les compresseurs de turbomachine sont constitués d'aubes mues en rotation à l'intérieur d'un carter qui assure l'étanchéité de la veine d'air avec l'extérieur du moteur.
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.
De plus, ce jeu peut modifier et dégrader le fonctionnement du compresseur jusqu'à l'apparition d'un phénomène de pompage qui résulte du décrochage du flux d'air de la surface des aubes. Le contrôle de la circulation de l'air à l'extrémité des aubes constitue un enjeu majeur pour obtenir à la fois un bon rendement aérodynamique du compresseur et une marge suffisante contre le phénomène de pompage.
Afin de limiter l'impact de cet écoulement parasite entre l'extrémité des aubes et le carter, on peut traiter localement la surface interne du carter en y creusant des cavités disposées dans l'épaisseur du carter en regard des aubes. Les documents FR 2 989 742, GB 2 408 546 et US 2016/153465 fournissent des exemples de traitement de carter.
Néanmoins, le phénomène de pompage n'apparaît que quand le compresseur est fortement chargé, c'est-à-dire quand il fonctionne dans la partie haute de son champ d'opérabilité. En dehors de cette zone, les traitements de carter ne sont donc plus utiles et juste même responsables d'une perte de rendement du compresseur.
Il est donc souhaitable de disposer d'un carter de compresseur dans lequel on peut fermer ou ouvrir les fentes du traitement de carter pour éviter le phénomène de pompage tout en gardant un bon rendement du compresseur.
Exposé de l'invention
L'invention concerne un carter de compresseur de turbomachine comprenant des ouvertures creusées dans l'épaisseur du carter à partir d'une face interne du carter et disposées les unes à côté des autres sur une circonférence du carter, caractérisé en ce qu'il comprend également un anneau mobile, formé par au moins deux portions annulaires, présent sur une face externe du carter en regard des ouvertures et apte à se déplacer le long de la circonférence du carter de manière à fermer et ouvrir les ouvertures du carter pour activer ou désactiver un traitement de carter, l'anneau mobile comprenant un même nombre de fentes que d'ouvertures dans le carter.
A l'alignement des ouvertures dans le carter et des fentes de l'anneau mobile, c'est- à-dire lorsque les ouvertures du carter sont en face des fentes de l'anneau mobile, les ouvertures présentes sur le carter forment les fentes d'un traitement de carter non axisymétrique, car elles sont présentes le long de la circonférence du carter et ouvertes sur la veine. Autrement dit, elles forment des fentes axiales disposées dans une direction azimutale et sont donc non axisymétriques par rapport à l'axe de rotation du compresseur, alors que les traitements de carter axisymétriques sont constitués de rainures circonférentielles et sont symétriques par rapport à l'axe de rotation du compresseur.
Grâce à l'invention, on peut ouvrir ou fermer les fentes du traitement de carter grâce à l'anneau mobile. Cela permet d'avoir un traitement du carter actif lorsque les conditions d'opérabilité le demandent, par exemple lors du décollage, pour éviter le phénomène de pompage et d'avoir un traitement inactif du carter lorsque le compresseur n'est plus chargé, par exemple en régime de croisière, pour privilégier le rendement du compresseur. Ainsi l'invention permet de contrôler l'ouverture du traitement de carter.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, chaque ouverture du carter a une largeur supérieure ou égale à la largeur de la fente associée de l'anneau mobile, et chaque ouverture du carter a une longueur supérieure ou égale à la longueur de la fente associée de l'anneau mobile.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le carter comprend également au moins un ressort assemblant l'anneau mobile au carter configuré pour que les ouvertures du carter soient ouvertes lorsque le ressort est au repos.
Le ressort permet de faire revenir l'anneau mobile à une position initiale ou à une position de sécurité, dans laquelle ses fentes sont en face des ouvertures du carter, de manière à ce que les fentes du traitement de carter soient complètement ouvertes pour que le traitement du carter soit actif.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le carter comprend un moteur électrique comprenant un arbre à came, la came étant configurée pour déplacer l'anneau mobile le long de la circonférence du carter de manière à ouvrir ou fermer les ouvertures du carter.
L'arbre à came permet de déplacer l'anneau mobile le long de la circonférence du carter, et plus particulièrement la came permet de déplacer l'anneau mobile d'une amplitude au moins égale à la largeur d'une ouverture du carter de manière à ouvrir ou fermer complètement les ouvertures du carter, et donc de manière à ouvrir ou fermer complètement les fentes du traitement de carter.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le carter comprend un actionneur configuré pour déplacer l'anneau mobile le long de la circonférence du carter de manière à ouvrir ou fermer les ouvertures du carter.
L'actionneur peut jouer le même rôle que l'arbre à came, et permet donc de déplacer l'anneau mobile le long de la circonférence du carter pour pouvoir fermer ou ouvrir les fentes du traitement de carter. Ainsi, il permet de déplacer l'anneau mobile d'une amplitude au moins égale à la largeur d'une ouverture du carter. Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, les dimensions des fentes de l'anneau mobile et des ouvertures du carter sont égales.
Cela signifie que les fentes de l'anneau mobile et les ouvertures du carter présentent la même longueur et la même largeur. Cela permet de faciliter l'ouverture et la fermeture des fentes du traitement de carter, car en déplaçant l'anneau mobile de la largeur d'une ouverture du carter, on peut ouvrir ou fermer complètement la fente correspondante du traitement de carter.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le nombre d'ouvertures du carter est compris entre 40 et 850.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, l'anneau mobile et le carter sont réalisés en un même matériau.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.
[Fig. 1] La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, un carter de compresseur de turbomachine selon un mode de réalisation de l'invention.
[Fig. 2A] La figure 2A représente, de manière schématique et partielle, les fentes fermées du traitement de carter de compresseur de la figure 1.
[Fig. 2B] La figure 2B représente, de manière schématique et partielle, les fentes ouvertes du traitement de carter de compresseur de la figure 1.
[Fig. 3] La figure 3 représente, de manière schématique et partielle, un carter de compresseur de turbomachine selon un autre mode de réalisation de l'invention.
Description des modes de réalisation
La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, un carter 100 de compresseur de turbomachine selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le carter 100 comprend des ouvertures creusées (ou découpées) dans l'épaisseur du carter à partir de la face interne 1001 du carter 100. Les ouvertures sont disposées les unes à côté des autres sur la circonférence du carter 100.
Le carter 100 comprend également un anneau mobile 120 présent sur la face externe 1002 du carter 100. L'anneau mobile 120 comprend des fentes au même nombre que les ouvertures du carter 100, et peut se déplacer le long de la circonférence du carter 100 de manière à ouvrir ou fermer les ouvertures du carter 100 grâce à ses propres fentes. Grâce à l'alignement des fentes de l'anneau mobile 120 et des ouvertures du carter 100, c'est-à-dire lorsque les fentes de l'anneau mobile 120 sont en face des ouvertures du carter 100, on forme un traitement de carter dont les fentes sont ouvertes lorsque les ouvertures du carter 100 sont ouvertes. Autrement dit, l'anneau mobile 120 tourne autour du carter 100 de manière à fermer ou ouvrir les ouvertures du carter 100.
Chaque ouverture du carter 100 a une largeur supérieure ou égale à la largeur de la fente associée de l'anneau mobile 120 (ou fente en regard de ladite ouverture), et chaque ouverture du carter 100 a une longueur supérieure ou égale à la longueur de la fente associée de l'anneau mobile 120 (ou fente en regard de ladite ouverture). Cela permet de garantir que les ouvertures du carter 100 sont bien complètement ouvertes quand on souhaite activer le traitement de carter.
De plus, la distance entre chaque ouverture du carter 100 est supérieure ou égale à la largeur de la fente associée de l'anneau mobile 120. Cela permet de garantir que les ouvertures du carter 100 sont bien complètement fermées quand on souhaite désactiver le traitement de carter.
L'anneau mobile 120 est formé de deux portions annulaires 121 et 122. Dans ce premier mode de réalisation, les deux portions annulaires 121 et 122 sont assemblées entre elles par une vis pointée 130, mais elles peuvent, à la place, être assemblées par tout autre moyen d'assemblage, par exemple un système composé d'un pion de centrage et d'un assemblage de vis et écrou pour le maintien en position. Le fait d'avoir un anneau mobile 120 formé d'au moins deux portions annulaires 121 et 122 permet de faciliter le montage de l'anneau mobile 120 sur le carter 100.
Le carter 100 comprend un piston 140 fixé à une de ses extrémités à l'anneau mobile 120 et une autre extrémité au carter 100 par l'intermédiaire d'une colonnette 125. Le piston 140 permet de contrôler le déplacement de l'anneau mobile 120 le long de la circonférence du carter 100 pour pouvoir le déplacer d'une amplitude au moins égale à la largeur des ouvertures du carter 100 pour fermer et/ou ouvrir complètement les ouvertures du carter 100 et donc les fentes du traitement de carter. La colonnette 125 permet de rigidifier le carter 100 et d'avoir un point fixe pour la fixation du piston 140.
Pour déplacer l'anneau mobile 120 sur le carter 100, le piston 140 peut être remplacé par un actionneur.
Les figures 2A et 2B représentent une vue en coupe des ouvertures 201 ouvertes (figure 2B) ou fermées (figure 2A) du carter 200 de la figure 1 grâce au déplacement de l'anneau mobile 220 et à ses fentes 202. Comme indiqué en référence à la figure 1, les ouvertures 201 du carter 200 sont creusées (ou découpées) dans l'épaisseur du carter 200 à partir de sa face interne 2001 et sont disposées les unes à côté des autres sur la circonférence du carter 200. L'anneau mobile 220 comprend le même nombre de fentes 202 que d'ouvertures 201 du carter 200 et est placé sur la face externe 2002 du carter 200 de manière à pouvoir fermer ou ouvrir les ouvertures 201 du carter 200 en se déplaçant le long de la circonférence du carter 200. Dans cet exemple de réalisation, les fentes 202 de l'anneau mobile 220 présentent les mêmes largeur et longueur que les ouvertures 201 du carter 200. De plus, la distance entre les ouvertures 201 du carter 200 est identique à la distance entre les fentes 202 de l'anneau mobile 220. Ainsi, quand les fentes 202 de l'anneau mobile 220 coïncident avec les ouvertures 201 du carter 200, les ouvertures 201 du carter 200 sont complètement ouvertes (figure 2B) et les fentes du traitement de carter sont ouvertes. Quand les fentes 202 de l'anneau mobile 220 recouvrent les ouvertures 201 du carter 200, les ouvertures 201 du carter 200 sont complètement fermées et les fentes du traitement de carter sont fermées (figure 2A). Le traitement du carter 200 est donc inactif dans le cas de la figure 2A (fentes du traitement de carter fermées) et il est actif dans le cas de la figure 2B (fentes du traitement de carter ouvertes).
La figure 3 représente, de manière schématique et partielle, un carter 300 de compresseur 310 de turbomachine selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
Comme indiqué en référence à la figure 1, le carter 300 comprend des ouvertures creusées ou découpées dans l'épaisseur du carter 300 à partir de la face interne 3001 du carter 300. Les ouvertures sont disposées les unes à côté des autres le long de la circonférence du carter 300.
Le carter 300 comprend également un anneau mobile 320 présent sur la face externe 3002 du carter 300. L'anneau mobile 320 comprend des fentes au même nombre que les ouvertures du carter 300, et peut se déplacer le long de la circonférence du carter 300 de manière à ouvrir ou fermer les ouvertures du carter 300 grâce à ses propres fentes pour ouvrir ou fermer les fentes du traitement de carter. Comme indiqué en référence à la figure 1, chaque ouverture du carter 300 a une largeur supérieure ou égale à la largeur de la fente associée de l'anneau mobile 320, et chaque ouverture du carter 300 a une longueur supérieure ou égale à la longueur de la fente associée de l'anneau mobile 320. De plus, la distance entre chaque ouverture du carter 300 est supérieure ou égale à la largeur de la fente associée de l'anneau mobile 320.
L'anneau mobile 320 est formé de deux portions annulaires 321 et 322. Comme indiqué précédemment, les deux portions annulaires 321 et 322 peuvent être assemblées entre elles par une vis pointée ou par tout autre moyen d'assemblage.
Afin de déplacer l'anneau mobile 320 et fermer ou ouvrir les fentes du traitement de carter et donc les ouvertures du carter 300, le carter 300 comprend un moteur électrique 330 comprenant un arbre à came 332. En pivotant, la came 332 permet de déplacer l'anneau mobile 320 le long de la circonférence du carter 300. La came 332 peut s'appuyer sur une portion 326 en saillie présente sur une des portions annulaires 322 pour pouvoir pivoter et déplacer l'anneau mobile 320. Le moteur électrique 330 et l'arbre à came 332 permettent de déplacer l'anneau mobile 320 d'au moins une amplitude égale à la largeur d'une ouverture du carter 300. Une colonnette 327 peut être présente afin de bloquer la portion 326 en saillie lors du déplacement de l'anneau mobile 320.
Le carter 300 peut également comprendre un ressort 340 fixé à l'anneau mobile 320 et au carter 300 par l'intermédiaire d'une colonnette 325. Ce ressort 340 est configuré pour qu'au repos, les ouvertures du carter 300 soient ouvertes, c'est-à-dire pour que les fentes de l'anneau mobile 320 n'obturent pas les ouvertures du carter 300 (cas de la figure 2B) pour que le traitement de carter soit actif. Comme précédemment, la colonnette 325 permet également de rigidifier le carter 300 en plus de former un point fixe pour la fixation du ressort 340.
Quel que soit le mode de réalisation, les ouvertures du carter peuvent être toutes identiques.
Quel que soit le mode de réalisation, les fentes de l'anneau mobile peuvent être toutes identiques. De manière avantageuse, les fentes de l'anneau mobile et les ouvertures du carter présentent les mêmes dimensions, c'est-à-dire qu'elles présentent la même longueur et la même largeur ; et la distance entre les ouvertures du carter est égale à la distance entre les fentes associées de l'anneau mobile. Cela permet d'obtenir des fentes de l'anneau mobile coïncidant avec les ouvertures du carter, et de ne déplacer l'anneau mobile que de l'amplitude de ses fentes pour pouvoir ouvrir ou fermer complètement les ouvertures du carter et donc les fentes du traitement de carter.
Quel que soit le mode de réalisation, le carter peut être monobloc.
Quel que soit le mode de réalisation, le nombre d'ouverture du carter (et donc de l'anneau mobile) est compris entre 40 et 850, par exemple entre 45 et 810, par exemple entre 60 et 210. En effet, le traitement de carter nécessite entre 3 et 8 fentes par aube du rotor et un rotor comprend entre 15 et 90 aubes. Cette plage de valeurs permet donc de couvrir l'ensemble des possibilités.
Quel que soit le mode de réalisation, le carter et l'anneau mobile peuvent être réalisés en un même matériau. Cela permet aux deux pièces de subir les mêmes contraintes thermiques et mécaniques et donc de s'assurer que l'ouverture ou la fermeture du traitement du carter sera toujours possible, même en cas de dilatation thermique.
De manière alternative, le carter et l'anneau mobile peuvent être réalisés en des matériaux différents, mais il est nécessaire que ces deux matériaux aient des propriétés physiques proches voire identiques pour que leur dilatation thermique soit similaire.
L'expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Carter (100, 200, 300) de compresseur (310) de turbomachine comprenant des ouvertures (201) creusées dans l'épaisseur du carter à partir d'une face interne (1001, 2001, 3001) du carter et disposées les unes à côté des autres sur une circonférence du carter, caractérisé en ce qu'il comprend également un anneau mobile (120, 220, 320), formé par au moins deux portions annulaires (121, 122, 321, 322), présent sur une face externe (1002, 2002, 3002) du carter en regard des ouvertures et apte à se déplacer le long de la circonférence du carter de manière à ouvrir et fermer les ouvertures du carter pour activer ou désactiver un traitement de carter, l'anneau mobile comprenant un même nombre de fentes (202) que d'ouvertures dans le carter.
[Revendication 2] Carter (100, 200, 300) de compresseur selon la revendication 1, dans lequel chaque ouverture (201) du carter a une largeur supérieure ou égale à la largeur de la fente (202) associée de l'anneau mobile (120, 220, 320), et chaque ouverture du carter a une longueur supérieure ou égale à la longueur de la fente associée de l'anneau mobile
[Revendication 3] Carter (300) de compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant également au moins un ressort (340) assemblant l'anneau mobile (320) au carter configuré pour que les ouvertures du carter soient ouvertes lorsque le ressort est au repos.
[Revendication 4] Carter (300) de compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un moteur électrique (330) comprenant un arbre à came (332), la came (332) étant configurée pour déplacer l'anneau mobile le long de la circonférence du carter de manière à ouvrir ou fermer les ouvertures du carter.
[Revendication 5] Carter de compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un actionneur configuré pour déplacer l'anneau mobile le long de la circonférence du carter de manière à ouvrir ou fermer les ouvertures du carter.
[Revendication 6] Carter de compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les dimensions des fentes de l'anneau mobile et des ouvertures du carter sont égales.
[Revendication 7] Carter de compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le nombre d'ouverture du carter est compris entre 40 et 850.
[Revendication 8] Carter de compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'anneau mobile et le carter sont réalisés en un même matériau.
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