FR2728618A1 - Distributeur supersonique d'etage d'entree de turbomachine - Google Patents
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Abstract
Le distributeur supersonique d'étage d'entrée de turbomachine comprend un carter extérieur (102), un moyeu (101), et un ensemble d'aubes périphériques (103) disposées en couronne et rattachées au moyeu (101) pour ménager entre les aubes (103) des passages de fluide (104) à vitesse supersonique transformant un écoulement à forte pression et faible vitesse en un écoulement supersonique à faible pression. Les aubes (103) sont disposées radialement de façon régulière au sein d'un tore d'alimentation en fluide. En coupe développée selon une ligne correspondant à un rayon donné, c'est-à-dire dans un plan aube à aube, les aubes (103) définissent un profil en forme de demi-tuyère bidimensionnelle. Ce profil présente une partie amont rectiligne (134), un bossage (133) définissant un col pour accélérer l'écoulement jusqu'à un nombre de Mach égal à 1, le col présentant une section variable selon le rayon considéré, et une partie aval courbe (135) qui se termine dans une région d'écoulement uniforme par un bord de fuite (131) qui peut être tronqué perpendiculairement à l'axe de rotation.
Description
1i 2728618 Domaine de l'invention La présente invention concerne le
domaine des turbomachines et plus
particulièrement les turbines supersoniques.
Art antérieur de référence On connaît déjà divers types de distributeurs statiques de turbine destinés
à guider les gaz d'entraînement de la turbine vers les aubes du rotor de la turbine.
Ainsi, le document FR-A-2 560 287 montre un exemple de distributeur de turbine de turbopompe de moteur-fusée. Un tel distributeur ou tuyère annulaire fixe de stator comporte un certain nombre d'ailettes ayant un espacement et une configuration tels qu'elles répartissent et dirigent le courant de gaz de la manière voulue vers les aubes. Dans le dispositif décrit dans le document FR-A-2 560 287, chaque ailette a une âme creuse afin de réduire les contraintes thermiques et peut être réalisée en une céramique moulée par injection ou en métal réfractaire moulé par injection, coulé ou usiné. Chaque ailette présente des plaques externe et interne en forme de corne auxquelles est rattaché le corps de l'ailette. Par ailleurs, un dispositif de support flottant des ailettes est destiné à permettre à chaque ailette de se régler par rapport à la direction du courant de fluide. Un tel agencement est complexe à réaliser et présente une géométrie qui entraîne des contraintes
importantes sur les ailettes.
On connaît également des distributeurs supersoniques aubés de premier
étage de turbine de turbopompe, notamment pour le pompage d'ergols de moteurs-
fusées, qui sont réalisés d'un seul bloc et visent à transformer un écoulement à forte pression et faible vitesse en un écoulement supersonique à forte vitesse et forte
composante tangentielle pour alimenter la première roue mobile de la turbine.
Dans un tel type de distributeur alimenté par la volute d'entrée de la turbine, dans laquelle le gaz circule à basse vitesse, les aubes du distributeur constituent une série de tuyères supersoniques bidimensionelles usinées dans la masse et réparties périodiquement selon une couronne dans des plans tangents à la
surface méridienne moyenne de la veine cylindrique.
Un exemple d'un tel distributeur supersonique aube classique est illustré
sur les figures 8 à 11 des dessins annexés.
La figure 8 montre la configuration d'un tel distributeur classique 10 dans le plan de sortie. Un arrachement permet de voir les extrémités 31 des aubes 3 près
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du plan de sortie, qui sont rattachées au moyeu 1 et au carter externe 2 par des
parties élargies 312, 313.
La figure 9 montre une section agrandie selon la ligne IX-IX de la figure 8, dans un plan tangentiel du distributeur. On voit sur la figure 9 la forme du canal de passage d'une tuyère élémentaire bidimensionnelle 4 avec une partie divergente 43. La figure 10 illustre en perspective une portion du distributeur de la figure 8 et la figure 11 correspond à une coupe de la portion représentée sur la figure 10, dans une zone proche du bord de fuite. On voit sur la figure 11 qu'une aube 3 comporte une portion centrale 311 rattachée au moyeu 1 et au carter externe 2 par des portions 312, 313 créant de brusques variations d'épaisseur dans lesquelles les
contraintes mécaniques symbolisées par les flèches 314 et 315 s'accumulent.
Un distributeur tel que celui illustré sur les figures 8 à 11 présente un
certain nombre d'inconvénients.
En particulier, l'écoulement de sortie est tangentiel et ne comporte pas de giration compatible avec l'équilibre radial que l'on cherche à obtenir à l'amont de la
roue mobile.
Cet écoulement tangentiel vient percuter le carter externe de la roue mobile et génère des ondes de choc, susceptibles d'entraîner des risques de
décollement à l'entrée de la roue mobile.
Des effets de culot et de marche, en supersonique, viennent se superposer
au phénomène précédent à la sortie du distributeur.
Un distributeur aubé tangentiel tel que celui qui a été décrit comporte des bords de fuite épais tridimensionnels et des marches entre les patois latérales des tuyères individuelles et les carters de la roue mobile. Il existe ainsi de fortes distorsions de l'écoulement dans le sens radial et azimutal. En particulier, on a pu constater une dégradation importante de la pression d'arrêt moyennée azimutalement près du carter externe, cette dégradation révélant la présence d'un
décollement au niveau du carter externe.
Objet et description succincte de l'invention:
La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients des distributeurs supersoniques aubés de l'art antérieur et notamment de permettre d'obtenir une vitesse supersonique en sortie du distributeur en respectant une loi
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d'équilibre radial en entrée du premier rotor de turbine de manière à assurer un bon
profil de vitesse sur toute la hauteur des aubages.
Ces buts sont atteints grâce à un distributeur supersonique d'étage d'entrée de turbomachine, comprenant un carter extérieur, un moyeu, un ensemble daubes périphériques disposées en couronne et rattachées au moyeu pour ménager entre les aubes des passages de fluide à vitesse supersonique transformant un écoulement à forte pression et faible vitesse en un écoulement supersonique à faible pression, caractérisé en ce que les aubes sont disposées radialement de façon régulière au sein d'un tore d'alimentation en fluide, en ce que, en coupe développée selon une ligne correspondant à un rayon donné, c'est-à-dire dans un plan aube à aube, les aubes définissent un profil en forme de demi-tuyère bidimensionnelle et en ce que ledit profil présente une partie amont rectiligne, un bossage définissant un col pour accélérer l'écoulement jusqu'à un nombre de Mach égal à 1, le col présentant une section variable selon le rayon considéré, et une partie aval courbe qui se termine dans une région d'écoulement uniforme par un bord de fuite qui peut être tronqué
perpendiculairement à l'axe de rotation.
La position du bossage de chaque aube et la longueur de la partie aval courbe sont définies en fonction du rapport de pression désiré de part et d'autre du distributeur. La construction du profil des aubes dans le sens radial est réalisée par empilement tout en respectant une homothétie du profil sensiblement égale au
rapport du rayon considéré sur le rayon moyen de la veine.
Pour chaque rayon, l'angle de sortie du distributeur est ajusté par un
vrillage des aubes entre le pied et la tête.
Sur toute la hauteur des aubes, il est maintenu un bord de fuite fin. Le rapport entre la section du col de tuyère et la section de sortie est choisi à chaque rayon en fonction du rapport de pression souhaité de manière à respecter une loi
d'équilibre radial.
Avantageusement, le bord de fuite de chaque aube représente de 4 à 8 %
du pas défini entre les aubes successives.
Les aubes présentent un profil évolutif selon le rayon et exempt de parties anguleuses, à l'exception des bords de fuite et des bords d'attaque qui peuvent être
avantageusement tronqués.
Les aubes sont fabriquées séparément et rapportées sur le moyeu.
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Selon un mode particulier de réalisation possible, les aubes sont ancrées
dans le moyeu et le carter externe par des parties en forme de pied de sapin.
Le distributeur selon l'invention peut être réalisé selon la technologie de la
métallurgie des poudres.
Dans un distributeur selon l'invention, les aubes sont adaptées pour définir
en sortie un écoulement supersonique compris entre Mach 1,2 et Mach 2,5.
Le distributeur selon l'invention est particulièrement adapté à une turbine
de turbopompe.
Dans le cadre d'une telle application, avantageusement, les aubes présentent en sortie une inclinaison comprise entre 65 et 80 par rapport à l'axe du distributeur. On notera que dans tous les cas, la géométrie du distributeur selon l'invention permet d'obtenir une vitesse supersonique en sortie en respectant l'équilibre radial et en assurant une alimentation complète de la veine en entrée du
premier rotor.
L'écoulement étant naturellement giratoire, les pertes liées à l'interaction
de l'écoulement supersonique avec le carter externe sont supprimées.
Par ailleurs, avec un distributeur conforme à l'invention, les effets de culot
sont réduits puisqu'ils ne proviennent plus que des épaisseurs de bord de fuite.
La plus grande régularité structurelle des aubes d'un distributeur selon l'invention est également très avantageuse dans la mesure o elle se traduit par la suppression des brusques variations d'épaisseur favorables à l'accumulation des contraintes.
Brève description des dessins:
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la
description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples,
en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue de face d'un distributeur supersonique selon 'invention,
- les figures 2, 3 et 4 sont des coupes respectivement selon les lignes Il-
II, 111m-I, et IV-IV de la figure 1 correspondant à une coupe de pied, une coupe moyenne et une coupe de tête montrant le profil des aubes du distributeur, selon l'invention,
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- la figure 5 représente une vue partielle en perspective montrant un exemple de forme d'ensemble des aubes d'un distributeur selon l'invention, - la figure 6 est une section dans un plan parallèle au plan de sortie montrant un exemple particulier d'ancrage des aubes dans le moyeu et le carter externe, - la figure 7 montre les triangles de vitesse à la sortie d'un distrinbuteur selon l'invention, respectivement au niveau du pied, d'un rayon moyen et de la tête du distributeur, t' - la figure 8 est une vue de face avec arrachement d'un distributeur supersonique de l'art antérieur réalisé d'une seule pièce, - la figure 9 est une section agrandie selon la ligne IX-IX de la figure 8, - la figure 10 est une vue partielle en perspective du distributeur connu de la figure 8, et - la figure 11 est une section d'une aube du distributeur des figures 8 et
10, au voisinage du plan de sortie.
On voit sur la figure 1 la vue d'ensemble d'un distributeur supersonique selon l'invention comprenant un ensemble d'aubes 103 réparties entre un
moyeu 101 et un carter externe 102.
On constate que les aubes 103 sont disposées radialement de façon
régulière, en couronne, au sein d'un tore d'alimentation en fluide.
Les figures 2 à 5 montrent les passages de fluide 104 ménagés ctre les aubes 103 dont le bord d'attaque et le bord de fuite portent respectivement les
références 132 et 131.
En coupe développée selon un rayon donné; par exemple en coupe de pied (figure 2), en coupe moyenne (figure 3) et en coupe de tête (figure 4), les
aubes 103 définissent un profil en forme de demi-tuyère bidimensionnelle.
Le profil de chaque aube 103 dans un plan aube à aube tel que ceux des figures 2 à 4, présente une partie amont rectiligne 134, un bossage 133 définissant un col 142 pour accélérer l'écoulement jusqu'à Mach = 1, et une partie aval courbe 135 qui se termine dans une région d'écoulement uniforme par un bord de fuite 131
fin qui peut être tronqué perpendiculairement à l'axe de rotation.
Chaque aube 103 comporte une paroi 136 définissant une demi-tuyère et une paroi 137 sans bossage. Deux aubes 103 successives définissent entre elles un passage de fluide 104 délimité d'une part par une paroi 137 sans bossage et d'autre part par une paroi 136 formant demi-tuyère, de manière à engendrer un
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écoulement supersonique qui peut présenter en sortie un nombre de Mach compris
entre environ Mach = 1,2 et Mach = 2,5.
L'écoulement présentant un nombre de Mach = 1 au niveau du col 142 est
accéléré progressivement en aval jusqu'à la sortie du canal d'écoulement 104.
La position des bossages 133 définissant les cols 142 des tuyères, ainsi que la longueur des sections aval 135 des aubes 103 sont définies en fonction du
rapport de pression désiré de part et d'autre du distributeur.
Le profil des aubes du distributeur 110 selon l'invention, se caractérise en particulier par la présence d'un bord d'attaque 132 fin et surtout d'un bord de fuite 131 fin. Ainsi, l'épaisseur e du bord de fuite 131 peut être comprise entre environ 4
et 8 % du pas p défini entre les aubes successives 103 (figure 3).
Une épaisseur e du bord de fuite 131 de l'ordre de 6 % du pas p est en général satisfaisante pour limiter le niveau des pertes et améliorer la qualité de l'écoulement. ' La construction du profil d'une aube 103 dans le sens radial de la hauteur H de l'aube est réalisée par empilement tout en respectant une homothétie de profil sensiblement égale au rapport du rayon considéré sur le rayon moyen R de la veine. Pour chaque rayon, l'angle de sortie du distributeur est ajusté par un vrillage des aubes 103 entre le pied 101 et la tête 102. Ceci est réalisé de manire à permettre un respect de l'évolution radiale du triangle de Mach à l'entrée de la roue mobile. Dans tous les cas, le profil évolutif des aubes 103 est tel que les aubes sont exemptes de parties anguleuses à l'exception des bords d'attaque et des bords
de fuite qui peuvent être avantageusement tronqués.
Les aubes 103 peuvent être fabriquées séparément et rapportées sur le moyeu 101. A titre d'exemple, comme représenté sur la figure 7, les aubes 103 peuvent être ancrées dans le moyeu 101 et le carter externe 102 par des extrémités
138, 139 en forme de pied de sapin.
Un distributeur aube selon l'invention peut être avantageusement réalisé
selon la technologie de la métallurgie des poudres.
Les aubes 103 peuvent présenter en sortie des inclinaisons diverses selon
les applications envisagées.
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Dans le cas d'une application à une turbine de turbopompe, l'inclinaison des aubes 103 par rapport à l'axe du distributeur peut être comprise entre environ
et 80 0.
Un exemple particulier de réalisation d'un distributeur supersonique aubé conforme à l'invention, appliqué à une turbine de turbopompe, présente les caractéristiques suivantes: rayon moyen R de la veine = 120 mm hauteur H des aubes = 11,9 mm corde C des aubes = 15,4 mm 10. épaisseur e du bord de fuite = 6,6 % du pas p entre aubes, inclinaison des aubes par rapport à l'axe = 74 en sortie, nombre de canaux = 31 taux de détente = 6,5 La figure 7 concerne l'exemple précédent et montre les triangles des vitesses en amont du rotor de la turbine au niveau du pied (vecteurs A, A'), d'un
rayon moyen (vecteurs B, B') et de la tête (vecteurs C, C).
Les vecteurs A, B, C donnent les valeurs de vitesse en sortie en nombre de Mach (à savoir respectivement 1,86; 1,74 et 1,63) pour une inclinaison absolue Sa
de 74 0, pour le pied, au rayon moyen et la tête des aubes 103.
2Q Ces valeurs de vitesse varient selon la hauteur des aubes pour s'adapter à
l'équilibre radial.
Les vecteurs A', B', C donnent les valeurs de vitesse relative à l'entrée du rotor en nombre de Mach (à savoir respectivement 1,55; 1,42 et 1,31) pour un angle relatif r qui est respectivement de 70,7 o; 70,3 o et 69,9 o au niveau du pied,
du rayon moyen et de la tête des aubes 103 du distributeur.
Avec ces valeurs, un équilibre radial satisfaisant est obtenu en sortie du distributeur et un bon équilibre de vitesse est établi sur toute la hauteur des aubes
du premier rotor.
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Claims (13)
1. Distributeur supersonique d'étage d'entrée de turbomachine, comprenant un carter extérieur (102), un moyeu (101), un ensemble d'aubes périphériques (103) disposées en couronne et rattachées au moyeu (101) pour ménager entre les aubes (103) des passages de fluide (104) à vitesse supersonique transformant un écoulement à forte pression et faible vitesse en un écoulement supersonique à faible pression, caractérisé en ce que les aubes (103) sont disposées radialement de façon régulière au sein d'un tore d'alimentation en fluide, en ce que, en coupe développée selon une ligne correspondant à un rayon donné, c'est-à-dire dans un plan aube à aube, les aubes (103) définissent un profil en forme de demi-tuyère bidimensionnelle et en ce que ledit profil présente une partie amont rectiligne (134), un bossage (133) définissant un col (142) pour accélérer l'écoulement jusqu'à un nombre de Mach égal à 1, le col (142) présentant une section variable selon le rayon considéré, et une partie aval courbe (135) qui se termine dans une région d'écoulement uniforme par un bord de fuite (131) qui peut être tronqué
perpendiculairement à l'axe de rotation.
2. Distributeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position du bossage (133) de chaque aube (103) et la longueur de la partie aval courbe (135) sont définies en fonction du rapport de pression désiré de part et
d'autre du distributeur.
3. Distributeur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la construction du profil des aubes (103) dans le sens radial est réalisée par empilement tout en respectant une homothétie du profil sensiblement égale au rapport du rayon considéré sur le rayon moyen de la veine (R).
4. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que pour chaque rayon, l'angle de sortie (>) du distributeur est
ajusté par un vrillage des aubes (103) entre le pied et la tête.
5. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que sur toute la hauteur des aubes (103) il est maintenu un bord de fuite (131) fin ainsi qu'un rapport entre la section du col de tuyère (104) et la section de sortie qui est choisi à chaque rayon en fonction du rapport de pression
souhaité.
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6. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que le bord de fuite (131) de chaque aube (103) représente de 4 à
8 % du pas défini entre les aubes successives (103).
7. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que les aubes (103) présentent un profil évolutif selon le rayon et
exempt de parties anguleuses.
8. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce que les aubes (103) sont fabriquées séparément et rapportées sur
le moyeu (101).
9. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,
caractérisé en ce que les aubes (103) sont ancrées dans le moyeu (101) et le carter
externe (102) par des parties en forme de pied de sapin.
10. Distributeur selon la revendication 8 ou la revendication 9,
caractérisé en ce qu'il est réalisé selon la technologie de la métallurgie des poudres.
11. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10,
caractérisé en ce que les aubes (103) sont adaptées pour définir en sortie un
écoulement supersonique compris entre Mach 1,2 et Mach 2,5.
12. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11,
caractérisé en ce qu'il est adapté à une turbine de turbopompe.
13. Distributeur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les aubes présentent en sortie une inclinaison comprise entre 65 et 80 par rapport à
l'axe du distributeur.
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