FR2669687A1 - Compresseur a flux axial. - Google Patents

Abstract

Le carter (28) du compresseur est pourvu sur sa surface interne cylindrique (32), d'une pluralité de rainures (30) espacées circonférentiellement et situées à proximité des extrémités libres des ailettes (26) appartenant à au moins une rangée d'ailettes du rotor. Un gain est obtenu dans l'amélioration de la marge de pompage et dans la réduction de la baisse du rendement, en positionnant l'extrémité avant (30a) de la rainure (30) en amont du bord antérieur (26a) des ailettes (26). Ce décalage est combiné avec un choix optimal du rapport entre la distance séparant les rainures et la largeur des rainures. Applications: moteurs à turbine à gaz

Description

COMPRESSEUR A FLUX AXIAL
La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz et elle se rapporte plus particulièrement à des compresseurs à flux axial pour de tels moteurs.

Un compresseur à flux axial comprend généralement une ou plusieurs unités de rotor qui portent des ailettes de section profilée ; les unités de rotor sont montées dans un carter, à l'intérieur duquel sont disposées des ailettes fixes de stator. Le compresseur est multi-étagé, la quantité de travail (augmentation de pression) effectuée par chaque étage étant petite, un étage consistant en une rangée d'ailettes rotatives, suivie d'une rangée d'ailettes fixes de stator. La raison dlêtre de la faible augmentation de pression au travers de chaque étage est que le taux de diffusion et l'angle de déviation des ailettes doivent être limités, si l'on souhaite éviter les pertes dues à la corrosion des ailettes par air et à la perturbation qui en résulte pour les ailettes.

Les conditions particulières connues sous les appellations "décrochage" ou "pompage" apparaissent lorsque le flux d'air régulier au travers du compresseur est perturbé. Bien que les termes "décrochage" et "pompage" soient souvent utilisés comme des synonymes, il existe une différence entre les deux notions qui est principalement une question de degré. Un décrochage peut affecter seulement un étage ou un groupe d'étages, alors qu'un pompage de compresseur se rapporte à une perturbation du flux au travers de l'ensemble du compresseur.

Les valeurs du débit d'air et du rapport de pression pour lesquelles se produit le pompage définissent le "point de pompage". Ce point est une caractéristique propre à chaque vitesse du compresseur, et une ligne joignant tous ces points appelée courbe de pompage (voir figure 7) définit le flux d'air stable maximal qui peut être obtenu pour chaque vitesse de rotation. Un compresseur est conçu de manière à posséder une bonne marge de sécurité (région A) entre le débit d'air et le rapport de pression sous lesquels il fonctionne normalement (courbe de fonctionnement) et le débit d'air et le rapport de pression pour lesquels apparaît le pompage.

Pour un fonctionnement satisfaisant d'un étage de compresseur, il est bien connu que cet étage, ainsi que les étages formés par les ailettes adjacentes, doivent être soigneusement dimensionnés, du fait que chaque étage possède ses propres caractéristiques d'écoulement d'air. Ainsi, il est extrêmement difficile de réaliser un compresseur qui fonctionne de façon satisfaisante, dans des conditions de fonctionnement très variées, telles que celles rencontrées par un moteur d'avion.

En-dehors des conditions pour lesquelles le fonctionnement est prévu, l'écoulement de l'air autour des ailettes tend à dégénérer en une violente turbulence, et le profil régulier de l'écoulement au travers de l'étage ou des étages est détruit. Le flux d'air au-travers du compresseur se dégrade habituellement et se transforme en un anneau de gaz sous pression, tournant rapidement autour des extrémités libres des ailettes d'un étage ou d'un groupe d'étages du compresseur.

S'il se produit une perturbation totale du flux au travers de tous les étages du compresseur, rendant tous les étages en état de "décrochage", le compresseur "pompera".

La transition entre l'état de décrochage et l'état de pompage peut être si rapide qu'elle passe inaperçue, et par ailleurs, un état de décrochage peut être si faiblement marqué qu'il produit seulement une légère vibration ou des caractéristiques affaiblies d'accélération ou de décélération. Un état de décrochage plus critique est signalé par une élévation de la température du gaz dans la turbine, et par une vibration ou un "toussement" du compresseur. Un état de pompage est rendu évident par un bruit de force variable du compresseur, et par une élévation de la température du gaz dans la turbine.

I1 est nécessaire d'utiliser un système de régulation du débit d'air, pour s assurer du fonctionnement efficace d'un moteur du genre considéré dans un domaine de vitesse étendu, et pour conserver la marge de sécurité mentionnée plus haut,
Un procédé de régulation bien connu, décrit dans le brevet britannique 1.518.293, consiste à réaliser le carter du compresseur d'un tel moteur avec une série circonférentielle de rainures, inclinées par rapport à l'axe de rotation des rangées d'ailettes du rotor, et ménagées sur la surface interne cylindrique du carter à proximité d'au moins une rangée d'ailettes.

Les rainures ont une longueur axiale sensiblement plus grande que celle de la rangée d'ailettes, et elles se prolongent jusqu'en aval de cette rangée d'ailettes.

Un but de la présente invention est de fournir une conformation de surface du carter du compresseur qui optimise à la fois la géométrie et la position des rainures par rapport aux ailettes, en vue d'obtenir une amélioration de la marge de pompage, sans baisse excessive de rendement du compresseur.

A cet effet, l'invention a pour objet un compresseur à flux axial, comprenant un carter possédant une surface interne cylindrique, à l'intérieur duquel est monté tournant un rotor portant au moins une rangée d'ailettes, s'étendant dans une direction générale radiale, chaque ailette comportant un bord antérieur qui décrit une trajectoire circulaire lors de la rotation du rotor et un bord postérieur qui décrit une trajectoire circulaire, lors de la rotation du rotor, et une ou plusieurs rainures ménagées sur la surface interne cylindrique du carter, à proximité des extrémités libres des ailettes de l'une au moins des rangées d'ailettes, chaque rainure possédant une extrémité avant et une extrémité arrière, les extrémités avant des rainures étant situées dans la direction axiale, en amont de la trajectoire circulaire décrite par les bords antérieurs des ailettes, et les extrémités arrière des rainures étant situées dans le même plan que la trajectoire circulaire décrite par les bords postérieurs des ailettes, ou en amont de ce plan.

De préférence, chaque rainure possède un fond qui est con formé de manière à permettre un échappement en douceur, hors de cette rainure, du fluide sou haute pression.

Avantageusement, chaque rainure est conformée de telle sorte que ses flancs forment un angle par rapport à un rayon issu du centre du carter, et s'étendent ainsi suivant des directions non radiales par rapport à la surface interne cylindrique du carter. En outre, chaque rainure est inclinée par rapport à l'axe longitudinal du compresseur, l'angle d'inclinaison étant sensiblement égal à l'angle de fuite du gaz, quittant les ailettes.

Des essais effectués ont mis en évidence le fait qu'une amélioration de la marge de pompage peut être obtenue en modifiant le rapport entre la distance séparant les rainures et la largeur des rainures, ces dimensions étant mesurées dans la direction circonférentielle, autour du carter du compresseur ; le rapport (m/M) en question est bien défini par la figure 4. Des améliorations de la marge de pompage peuvent aussi être obtenues en modifiant la position axiale des rainures, de telle sorte que l'extrémité avant des rainures se situe en amont du bord antérieur des ailettes, avec un écart appelé "dépassement" ou "décalage".

On pouvait s'attendre à ce que l'amélioration la plus forte des caractéristiques du compresseur serait obtenue en combinant le rapport (m/M) optimal avec le décalage qui par lui-même procure la meilleure amélioration de la marge de pompage. D'autres essais ont toutefois montré que ce n'était pas vraiment le cas et qu'en réalité, l'amélioration la plus forte des caractéristiques du compresseur était obtenue en combinant le décalage optimal, précédemment connu, avec un rapport (m/M) quelque peu supérieur.

Ainsi, le dépassement des extrémités avant des rainures, en amont de la trajectoire circulaire décrite par les bords antérieurs des ailettes, sera avantageusement compris entre 22 % et 28 % de la dimension axiale des ailettes, et de préférence sensiblement égal à 23 % de cette dimension axiale.

Quant au rapport entre la distance séparant les rainures et la largeur des rainures, celui-ci sera de préférence choisi égal à 0,58.

De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, une forme de réalisation de ce compresseur à flux axial, ainsi que des variantes
- Figure 1 est une vue de côté très schématique d'un moteur à turbine à gaz, avec coupe partielle au niveau du carter du compresseur
- Figure 2 est une vue en coupe illustrant de façon plus détaillée la conformation prévue dans la partie en coupe de la figure 1
- Figure 3 est une vue suivant la direction des flèches
D-D de la figure 2 ;;
- Figure 4 est une vue en section à travers les rainures, dans la direction des flèches K-K de la figure 3
- Figure 5 est un diagramme illustrant l'amélioration de la marge de pompage (courbe W) et la diminution de la baisse de rendement (courbe X), en fonction du rapport (m/M), dans le cas d'un carter à rainures non décalées
- Figure 6 est un graphique montrant l'amélioration de la marge de pompage (courbe Y) et la diminution de la baisse de rendement (courbe Z), en fonction du décalage des rainures, pour un carter ayant un rapport (m/M) égal à 0,58
- Figure 7 est un diagramme indiquant le rapport des pressions, en fonction du débit massique, pour un compresseur classique, illustrant clairement la courbe de pompage, la courbe de fonctionnement et la marge de sécurité (zone A) s'étendant entre les deux courbes
- Figure 8, 9 et 10 montrent trois variantes de formes de rainures.

En se référant à la figure 1 du dessin, le moteur à turbine à gaz, désigné dans son ensemble par (10), comprend montés en série dans le sens de l'écoulement de l'air, un compresseur à basse pression (12), un compresseur à haute pression (14), un équipement de combustion (16), une turbine à haute pression (18), une turbine à basse pression (20) et une tuyère d'éjection (22). Le compresseur à basse pression (12) et la turbine à basse pression (20), d'une part, ainsi que le compresseur à haute pression (14) et la turbine à haute pression (18), d'autre part, sont montés tournants sur des structures d'arbres coaxiales-, non représentées au dessin.

Une représentation très schématique de l'agencement selon la présente invention est indiquée dans la partie "cassée" du carter (24) du compresseur à basse pression.

La figure 2 est une vue en coupe, à échelle agrandie, correspondant à cette partie de la figure 1. Cette figure montre une portion d'ailette (26) du compresseur à basse pression (12), appartenant à un étage de ce compresseur, avec son bord antérieurolJ bord d'attaque (26 a) et son bord postérieur ou bord de fuite (26 b). Une partie (28) du carter (24) du compresseur à basse pression, disposée radialement à l'extérieur par r-apport au compresseur, est également visible.

Une série de rainures inclinées, dont l'une est indiquée (en 30), est prévue dans la direction circonférentielle, les rainures étant creusées dans la surface interne cylindrique (32) de la partie (28) du carter du compressellr. Chaque rainure (30) possède une profondeur (B) et une longueur axiale (C), et elle est dimensionnée et positionnée de telle sorte que l'extrémité avant (30a) de cette rainure se situe, dans la direction axiale, en amont la trajectoire circulaire décrite par le bord antérieur (26b) de l'ailette (26).

En se référant à la figure 3, l'angle d'inclinaison (G) de la fente, par rapport à la direction axiale, est choisi sensiblement égal à l'angle de fuite de l'ailette de compresseur (26). Cet angle de fuite est lui-même l'angle de sortie du gaz quittant les ailettes de la rangée considérée et il est habituellement égal à environ 35". Cet angle est, bien évi- demment, égal aussi à l'angle d'entrée du gaz sur la rangée voisine d'ailettes de stator, situées juste en aval (non représentées) La longueur (H) indique la dimension axiale de l'ailette (26), mesurée entre son bord antérieur (26a) et son bord postérieur (26b), donc la longueur de la projection de l'ailette sur une ligne parallèle à l'axe central (I-I) du compresseur.

Comme le montre la figure 2 du dessin, le fond (34) de chaque rainure (30) est sensiblement plat, mis à part son extrémité postérieure (30b) qui est taillée en biseau et qui forme ainsi un angle approximativement égal à 45" par rapport à l'axe longitudinal du compresseur. On notera, cependant, que des surfaces de caractéristiques différentes peuvent être prévues en variante ; par exemple, les rainures (30) peuvent être réalisées avec un fond concave ou avec leurs deux extrémités en biseau, en vue d'obtenir un passage plus doux de l'air au travers de ces rainures, des varaintes étant précisées plus loin. Les flancs longitudinaux(36) de chaque rainure (30) sont inclinés par rapport à des plans radiaux, comme montré sur la figure 4 qui est une section suivant la ligne K-K de la figure 3.

En effet, comme le montre la figure 4, les rainures (30) ne sont pas creusées radialement dans le carter (28) du compresseur, mais elles forment un certain angle (X) par rapport à des rayons (R) du compresseur (12). L'angle (m) est choisi de telle sorte que les rainures (30) recueillent le gaz sous pression délivré par les ailettes (26) du compresseur, dont le sens de déplacement est indiqué par une flèche (S). Le rapport entre les zones avec et sans rainures est indiqué respectivement par les dimensions mentionnées (M, m).

Il a été découvert que la présence de telles rainures (30) dans le carter basse pression (28) apporte une certaine régulation en éliminant le "décrochage" et réduit ainsi la probabilité d'apparition d'un "pompage".

Les résultats indiqués ci-après sont des exemples d'amé- liorations obtenues, dans le cas d'un jeu particulier d'ailettes qui a été essayé.

La longueur axiale (C) de la rainure était égale à la dimension axiale (H) de l'ailette (26), mesurée dans sa ré- gion située radialement le plus à l'extérieur, soit 12mm (0,47 inches). Le décalage optimum (A) de la rainure (30), vers l'amont, a été trouvé égal approximativement à 23 % de la dimension axiale (H) des ailettes (26), mesurée dans leur région située radialement le plus à l'extérieur. I1 est raisonnable d'espérer des résultats similaires avec des ailettes ayant d'autres dimensions, mais pour lesquelles le décalage (A) des rainures (30) reste approximativement égal à 23 % de la dimension axiale des ailettes.

Dans un premier essai, effectué avec un carter sans déca- lage des rainures, il a été trouvé que l'on avait un certain avantage d'amélioration de la marge de pompage en réduisant le rapport de rainurage (m/M) à une valeur ne dépassant pas 0,42. Ceci est clairement illustré par la figure 5 - voir la courbe W. Toutefois, comme le montre cette figure (courbe X), la baisse de rendement augmente avec la diminution du rapport (m/M). Avec le rapport enregistré le meilleur1 égal à 0,42, donnant une amélioration maximale de 63 % de la marge de pompage, les baisses du débit (non illustré) et du rendement étaient respectivement de l'ordre de 1,1 % et 1,4 %.

Un deuxième essai a montré que, pour un agencement de carter ayant un rapport (m/M) donné, l'on pouvait obtenir un gain supplémentaire dans l'amélioration de la marge de pompage, en modifiant le décalage des rainures de telle sorte que l'extrémité avant des rainures dépasse vers l'amont le bord antérieur des ailettes. Le gain le plus élevé a été obtenu avec un décalage compris entre 2,54 mm et 4,6 mm (0,1" et 0,18") et apportait une amélioration de la marge de pompage de 64 %.

Ainsi, il était a priori raisonnable de s'attendre à ce que l'amélioration la plus forte de la marge de pompage soit obtenue en combinant le décalage optimal, révélé par le deuxième essai, avec le rapport (m/M) optimal résultant du premier essai.

Toutefois, un troisième essai effectué en ce sens a montré que ce n'était pas le cas, et que la même amélioration maximale de la marge de pompage pouvait être obtenue en combinant le déclge optimal avec un rapport (m/M) quelque peu supérieur à celui du premier essai, et que cette combinaison conduisait à des baisses du débit et du rendement moins importantes.

L'avantage du décalage est ainsi de procurer la même amélioration de la marge de pompage, donc l'amélioration maximale, avec une valeur plus élevée du rapport (m/M) à laquelle correspond une diminution des baisses du débit et du rendement.

La combinaison optimale trouvée était un rapport (m/M) de 0,58 avec un décalage d'environ 2,8 mm (0,11 inches). La figure 6 est un graphique indiquant l'amélioration de la marge de pompage (courbe Y) et la baisse de rendement (courbe Z) en fonction du décalage des rainures, pour un carter ayant un rapport (m/M) égal à 0,58. L'augmentation de la marge de pompage est clairement illustrée par la ligne (Y) : un accroissement rapide de cette marge est constaté pour un décalage compris entre O et 2,5 mm (0,10 inches), tandis que llamélio- ration maximale est obtenue pour un décalage compris entre 2,8 mm (0,11 inches) et 4,6 mm (0,18 inches).La diminution correspondante de la baisse de rendement est clairement illustrée par la courbe (Z), indiquant une décroissance rapide pour un décalage compris entre O et 2,5 mm (0,1 inches), la valeur minimale étant atteinte pour un décalage compris entre 2,54 mm (0,1 inches) et 4,6 mm (0,18 inches). La zone (C) du graphique indique les conditions de fonctionnement optimales ; dans cette zone, pour un rapport (m/M) de 0,58 et un décalage d'environ 2,8 mm (0,11 inches) des rainures, on peut obtenir une amélioration de 64% de la marge de pompage, avec une baisse du rendement qui est seulement de 0,3% et une baisse du débit (non illustrée) de seulement 1%.

Même s'il n'y a pas d'augmentation réelle de l'amélioration de la marge de pompage entre les conditions du deuxième essai et du troisième essai (dans les deux cas 64 %), le troisième essai met en évidence l'avantage obtenu d'une diminution très sensible de la baisse du rendement et de la baisse du débit, par rapport au deuxième essai.

Les figures 8 à 10 illustrent, enfin, quelques variantes de formes simples des rainures. Dans le cas de la figure 2, la profondeur du fond (34) de la rainure (30) se réduisait en direction de la seule extrémité arrière (30b) de cette rainure.

Dans le cas de la figure 8, la profondeur du fond (34) se ré- duit en direction de l'extrémité avant (30a) et de l'extrémité arrière (30b) de la rainure (30). Dans le cas de la figure 9, le fond (34) de la rainure (30) est incurvé, avec un profil concave. Enfin, dans le cas de la figure 10, le fond (34) de la rainure (30) est situé à une profondeur constante.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Compresseur à flux axial, comprenant un carter (24, 28) possédant une surface interne cylindrique (32), à l'intérieur duquel est monté tournant un rotor portant au moins une rangée d'ailettes (26) s'étendant dans une direction générale radiale, chaque ailette comportant un bord antérieur (26a) qui décrit une trajectoire circulaire lors de la rotation du rotor et un bord postérieur (26b) qui décrit une trajectoire circulaire lors de la rotation du rotor, et une ou plusieurs rainures (30) ménagées sur la surface interne cylindrique (32) du carter à proximité des extrémités libres des ailettes de l'une au moins des rangées d'ailettes, chaque rainure possé- dant une extrémité avant (30a) et une extrémité arrière (30b), caractérisé en ce que les extrémités avant (30a) des rainures (30) sont situées, dans la direction axiale, en amont de la trajectoire circulaire décrite par les bords antérieurs (26a) des ailettes (26), et en ce que les extrémités arrière (30b) des rainures (30) sont situées dans le même plan que la trajectoire circulaire décrite par les bords postérieurs (26b) des ailettes (26), ou en amont de ce plan.

2. Compresseur à flux axial selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque rainure (30) possède deux flancs (36) qui forment un angle (m) par rapport à tin rayon (R) issu du centre du carter (24), et qui s'étendent ainsi suivant des directions non radiales par rapport à la surface interne cylindrique (32) du carter.

3. Compresseur à flux axial selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction de chaque rainure (30) est inclinée par rapport à l'axe longitudinal (I-t) du compresseur (12), l'angle d'inclinaison ( étant sensiblement égal à l'angle de fuite du gaz quittant les ailettes (26).

4. Compresseur à flux axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dépassement des extrémités avant (30a) des rainures (30), en amont de la trajectoire circulaire décrite par les bords antérieurs (26a) des ailettes (26), est compris entre 22 % et 28 % de la dimension axiale (H) des ailettes (26).

5. Compresseur à flux axial selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dépassement des extrémités avant (30a) des rainures (30), en amont de la trajectoire circulaire décrite par les bords antérieurs (26a) des ailettes (26), est sensiblement égal à 23 % de la dimension axiale (H) des ailettes (26).

6. Compresseur à flux axial selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport (m/M) entre la distance (m) séparant les rainures (30) et la largeur (M) des rainures (30) est sensiblement égal à 0,58.

7. Compresseur à flux axial selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque rainure (30) possède un fond (34) qui est conformé de manière à permettre un échappement en douceur hors de cette rainure, du fluide sous haute pression.

8. Compresseur à flux axial selon la revendication 7, caractérisé en ce que la profondeur du fond (34) de chaque rainure (30) se réduit en direction de l'extrémité arrière (30b) de cette rainure.

9. Compresseur à flux axial selon la revendication 8, caractérisé en ce que la profondeur du fond (34) de chaque rainure (30) se réduit en direction de l'extrémité avant (30a) et de l'extrémité arrière (30b) de cette rainure.

10. Compresseur à flux axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque rainure (30) possède un fond (34) situé à une profondeur constante.