FR2912789A1 - Carter avec traitement de carter, compresseur et turbomachine comportant un tel carter. - Google Patents

Carter avec traitement de carter, compresseur et turbomachine comportant un tel carter. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un carter (10) supportant des séries d'aubes fixes entre lesquelles sont disposées des séries d'aubes mobiles (20) en rotation autour d'un axe longitudinal, l'extrémité radialement externe desdites aubes mobiles (20) étant proche de la face interne du carter.De façon caractéristique, le carter comporte, au moins sur une couronne située en regard de l'une des séries d'aubes mobiles (20), au moins une zone de traitement de carter (12) tournée en direction des aubes et comprenant une perturbation du relief de surface.Application à la maîtrise du décollement tournant d'un compresseur de turbomachine.

Description

L'invention concerne un carter supportant des séries d'aubes fixes entre
lesquelles sont disposées des séries d'aubes mobiles en rotation autour d'un axe longitudinal, l'extrémité radialement externe desdites aubes mobiles étant proche de la face interne du carter ;notamment un carter utilisé dans un turboréacteur d'aviation. Également, la présente invention se rapporte à la réalisation d'un compresseur, en particulier de type axial, notamment un compresseur fonctionnant à basse pression mais aussi un compresseur fonctionnant à haute pression, comportant un carter tel que mentionné précédemment. La présente invention porte aussi sur une turbomachine, en particulier un turboréacteur, comprenant un tel carter ou un tel compresseur. Les compresseurs de ce type, utilisés notamment dans les turboréacteurs, sont constitués d'un rotor comprenant, soit une succession de disques séparés empilés les uns à la suite des autres, soit un tambour unique destiné à recevoir les séries d'aubes des différents étages. Classiquement, ce rotor comporte des saignées réalisées par usinage afin de former entre deux étages voisins un espace dans lequel s'intercalent les aubes des étages statoriques solidarisées à une partie fixe présentant un carter. Ce carter forme un tronçon de la zone radialement la plus externe de la veine le long de laquelle l'air circule dans la turbomachine. De manière habituelle, les aubes mobiles sont solidarisées de façon individuelle au tambour au niveau des logements, répartis régulièrement et en nombre égal à celui des aubes, dont la forme est déterminée pour coopérer par complémentarité de forme avec le pied de l'aube, ce qui assure l'immobilisation radiale, par exemple par une fixation du type par queue d'aronde. En ce qui concerne l'immobilisation en translation, notamment axiale, du pied de l'aube par rapport à son logement, elle est assurée le plus souvent séparément pour chaque aube par un système à bille, goupille, agrafe, flasque, entretoise etc. Pendant le fonctionnement d'un turboréacteur, en particulier pour les moteurs civils actuels, compte tenu des températures des pressions atteintes par l'air chaud, il est nécessaire d'assurer une fonction de régulation en cas de pompage.
On rappelle que le pompage est un phénomène que l'on cherche à éviter au sein du moteur puisqu'il se traduit par des oscillations brutales de la pression d'air et du débit d'air, qui soumettent les aubes à des contraintes mécaniques considérables pouvant conduire à leur fragilisation, voire à leur rupture. Ce phénomène peut être initié par des oscillations de pression en tête d'aube, avec une forte interaction entre la couche limite au niveau du sommet de l'aube avec la couche limite du carter. Également, le décollement tournant est un phénomène qui se crée lorsque des conditions de vannage (point de fonctionnement) et de vitesses de rotation sont réunies. En particulier, ce phénomène se déclenche lorsque le profil est mis en incidence dite positive, il se crée alors un phénomène non stationnaire conduisant à un décollement local d'une aube, décollement qui va se propager d'une aube à une autre, au cours de la rotation. Ce phénomène peut être particulièrement dommageable : formation d'une pollution de l'ensemble de la grille d'aubes par un décollement généralisé qui va conduire au pompage ; - risque d'excitation aéroélastique des grilles d'aubes sollicitées.
Actuellement cette fonction de régulation du pompage est assurée par différentes types de solutions parmi lesquelles des vannes de décharge qui permettent d'aspirer cette couche limite, ou des traitement de carter qui couvrent toute la surface annulaire de la couronne extérieure en regard de la (ou des) roue(s) d'aubes mobiles à traiter.
Cette dernière solution a donné lieu à de nombreuses mises en oeuvre différentes. Notamment, dans le document EP0688400 on propose une cavité annulaire communiquant avec le trajet d'écoulement par des fentes délimitées par une grille annulaire de nervures inclinées. Dans le cas du document US6514039 il s'agit d'une technique analogue dans laquelle en outre on réalise sur la barre formant la pièce intermédiaire destinée à former la grille, un traitement du matériau, tel qu'un matage par choc laser, pour le rendre plus résistant à la rupture par fatigue. La présente invention a pour objectif de fournir un carter permettant de s'affranchir des inconvénients des traitements de carter de l'art antérieur tout en évitant une perte énergétique trop importante.
La présente invention a donc pour objectif de permettre de réduire localement le phénomène de pompage, en augmentant la marge de pompage actuelle, sans toutefois diminuer le rendement du moteur. A cet effet, selon la présente invention, le carter comporte au moins sur une couronne située en regard de l'une des séries d'aubes mobiles, au moins une zone de traitement de carter en regard des aubes et comprenant une perturbation du relief de surface. Cette zone peut être localisée sur un secteur angulaire correspondant à 1,5 à 2,5 pas d'aubes mobiles.
Le carter comporte différentes zones : des zones dites lisses (c'est à dire sans traitement de carter spécifique), ainsi que des zones qui supporteront un traitement de carter. Le nombre de ces zones supportant le traitement de carter ainsi que la couverture angulaire couverte par ces zones dépend de la machine considérée, et pourra être réduit à une zone couvrant 360 degrés dans certains cas. De cette manière, on comprend que par la présence d'une ou de plusieurs zones de traitement de carter qui sont chacune localisée à un secteur angulaire restreint à 1,5 à 2,5 pas d'aubes mobiles, on permet une évacuation locale de l'air de la couche limite dans l'espace situé entre l'aube et le carter, en regard de la zone de traitement, afin d'éviter le phénomène de pompage. Cette solution permet de constituer une structure géométrique qui va contribuer à casser l'organisation du décollement et par là-même le faire disparaître.
Globalement, grâce à l'agencement selon la présente invention, il est possible d'aspirer localement la couche limite susceptible d'engendrer le phénomène de pompage, sans dégrader le rendement du moteur grâce à la re-circulation d'air précitée qui permet d'améliorer la stabilité du système en minimisant l'impact sur le fonctionnement du moteur.
Selon une première variante de réalisation, ladite zone de traitement de carter comporte au moins une rainure (gorge ou sillon) délimitant un contour fermé. Selon une deuxième variante de réalisation, ladite zone de traitement de carter comporte au moins deux (de préférence trois, voire plus en fonction de la longueur de corde axiale) rainures parallèles dont la longueur s'étend en direction transversale.
Selon une disposition avantageuse, ladite zone de traitement s'étend axialement sur une distance représentant 2/3 à 9/10 de la longueur des aubes mobiles en direction axiale. Le rapport entre la surface ouverte et la surface pleine est de l'ordre de 2 On peut prévoir que cette zone de traitement de carter est formée directement sur la paroi interne du carter. Alternativement, ladite zone de traitement de carter est formée sur une plaque rapportée sur le carter. Dans ce cas, on peut prévoir que ladite plaque est réalisée, en tout ou en partie superficielle, en un matériau abradable. Selon une autre disposition avantageuse, le carter comporte en outre une cavité formée derrière et radialement à l'extérieur de la zone de traitement. Cette cavité présente la même étendue axiale (selon la longueur du carter) et/ ou transversale (selon la largeur de l'aube) que la zone de traitement, ou bien une étendue plus petite dans l'une et/ou l'autre des directions, ou bien une étendue plus grande dans l'une et/ou l'autre des directions. Dans ce cas, on peut prévoir que le carter présente sur la même portion annulaire, plusieurs zones de traitement et que ladite cavité de chaque zone de traitement est en communication avec ladite cavité d'une autre zone de traitement. Ceci permet de favoriser la circulation de l'air entre les zones de traitement. En outre, on peut mettre en oeuvre l'une ou l'autre des dispositions suivantes : - la profondeur de ladite cavité est comprise entre 1 et 3 fois la profondeur de la zone de traitement ; - l'étendue en direction axiale de ladite cavité est comprise de 10 à 20% fois plus importante que l'étendue en direction axiale de la zone 30 de traitement. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle en projection 35 de la face interne tournée en direction des extrémités d'aubes mobiles, d'un carter selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe depuis le coté du carter de la figure 1, selon la direction II-II, et d'une portion d'extrémité d'une aube ; - les figures 3 et 4 sont des vues similaires à celles des figures 1 et 2 pour une première variante du premier mode de réalisation de l'invention ; - les figures 5 et 6 sont des vues similaires à celles des figures 1 et 2 pour une deuxième variante du premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 est une vue schématique partielle en projection de la face interne tournée en direction des extrémités d'aubes mobiles, d'un carter selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 8 est une vue schématique partielle en coupe depuis le coté du carter de la figure 7, selon la direction VII-VII ; - les figures 9 et 10 sont des vues similaires à celles des figures 7 et 8 pour une première variante du deuxième mode de réalisation de l'invention; et - les figures 11 et 12 sont des vues similaires à celles des figures 7 et 8 pour une deuxième variante du deuxième mode de réalisation de l'invention. Si l'on se reporte à la figure 1, on aperçoit une portion d'un carter 10 limitée selon un secteur angulaire dont la direction correspond à la hauteur de la feuille, tandis que le tronçon représenté s'étend en direction axiale qui correspond à la largeur de la feuille. Plus précisément, sur la figure 1 on regarde cette portion du carter 10 en direction de sa face radialement interne tournée en direction d'une roue d'aubes mobiles non représentée sur la figure 1. Cependant, sur la figure 1, la position de deux aubes 20 est schématisée par deux lignes obliques dont l'écart P correspond à ce qui 30 sera dénommé dans la suite un pas d'aube. Comme il apparaît sur la figure 1, la surface interne de la portion de carter représentée comporte une rainure de contour fermé en forme ovale 12. Selon une caractéristique essentielle de la présente invention, 35 on comprend que la rainure 12 forme une zone de traitement de carter locale qui ne s'étend pas sur l'ensemble périphérique annulaire du carter 10. Plus précisément, on prévoit que cette rainure 12 constitue une zone de traitement de carter qui s'étend sur un secteur angulaire limité à 1,5 à 2,5 pas d'aubes P. Cette forme limitée angulairement du traitement de carter correspond à une topologie tout à fait différente de celle rencontrée habituellement pour ce type de traitement de carter. Si l'on se reporte sur la figure 2, on voit plus précisément qu'en regard d'une section longitudinale de l'aube 20, l'intervalle 30 situé entre l'aube 20 et la zone de traitement de carter constitue la rainure 12 présente à deux emplacements un élargissement correspondant chacun au creux laissé par la section à cet endroit de la rainure 12. Cette configuration permet de réaliser les perturbations locales du phénomène de décollement tournant mentionné en préambule. On comprend que le carter 10 peut présenter, sur toute sa périphérie, plusieurs rainures 12 similaires (par exemple deux, trois ou davantage) réparties régulièrement. À titre indicatif, la rainure 12 peut présenter une largeur comprise entre 5% et 25% du pas, pour délimiter une forme ovale s'étendant axialement (grande dimension de la forme ovale) sur une distance comprise entre 60% et 90% de la longueur du canal et transversalement (petite dimension de la forme ovale) sur une distance comprise entre 10% et 90% de la largeur du canal.
On comprend que l'obtention d'une telle rainure de contour fermé de forme ovale 12 peut s'obtenir aisément par un simple usinage de la surface radialement interne du carter 10. Alternativement (cas de figure non représenté), cette rainure de contour fermé de forme ovale 12 peut être formée sur une plaque rapportée sur le carter 10, cette plaque pouvant être réalisée en matériau abradable. D'une façon générale, la forme de la rainure (ou gorge), la profondeur et la surface couverte est le résultat d'une optimisation dépendant de la manière dont l'aube effectue le travail. L'objectif de ce traitement de carter, localisé sur quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres, est de modifier la répartition énergétique de la couche limite, de redonner de l'énergie à la couche limite de la zone fragilisée de l'aube sujette au décollement, et aussi de jouer le rôle d'un perturbateur qui évite au décollement de s'installer et de se propager aux aubes adjacentes.
On note que la ou les rainures peuvent commencer avant le bord d'attaque et se terminer après le bord de fuite, et on peut être amené à utiliser des traitements avec des rainures concentriques, ainsi que d'avoir un jeu de rainures miroir en réalisant deux traitements adjacents ayant un plan de symétrie entre eux.
On se reportera maintenant à la figure 3 sur laquelle on retrouve, avec les signes de référence identiques, les éléments déjà décrits sur les figures 1 et 2. Dans ce cas, selon une première variante du premier mode de réalisation illustrée sur les figures 1 et 2, la rainure 12' présente toujours un contour fermé qui n'est plus ovale mais qui correspond à un ensemble de tronçons rectilignes reliés entre eux pour former une figure géométrique irrégulière, ici avec huit côtés. On conçoit tout à fait qu'à la place de cet octogone irrégulier, on réalise d'autres formes géométriques présentant plus ou moins de huit côtés, ou encore une forme de contour fermé globalement courbe et différente d'une forme ovale ou encore toute autre forme ovoïde. Dans le cas d'une deuxième variante du premier mode de réalisation, conformément à l'illustration des figures 5 et 6, la zone de traitement n'est pas réduite à une rainure de contour fermé mais présente une série de quatre rainures longitudinales 12" parallèles entre elles et à la direction transversale. Ces rainures 12" s'étendent sur une distance correspondant à 1,5 à 2,5 pas d'aubes P. Sur ces figures les gorges sont ici définies sur une portion de pas interaubage mais cette portion de pas peut être étendue à un angle 30 de 360 . Bien entendu, on peut prévoir une série comportant moins de quatre rainures 12" ou davantage de rainures 12" qui présentent une profondeur, une largeur et une longueur similaires ou différentes. On se reportera maintenant aux figures 7 à 12 qui représentent 35 plusieurs variantes de réalisation du carter selon le deuxième mode de réalisation.
Sur les figures 7 et 8, on retrouve une disposition pour le carter 10 qui, en plus d'une série de rainures longitudinales 12" analogues à celles représentées sur la figure 5, comporte en outre une cavité arrière 14 annulaire qui s'étend, en regard de la zone de traitement de carter sur toute la périphérie du carter, les rainures 12" venant déboucher dans cette cavité 14 qui permet, de cette façon, une communication entre les différentes zones de traitement pouvant être présente sur des secteurs angulaires différents. Sur les figures 7 et 8, la zone de traitement comporte une série de trois rainures longitudinales 12", on comprend qu'il s'agit là d'un exemple et que la zone de traitement de carter peut comporter plus de trois ou moins de trois rainures. Sur la figure 7, les gorges sont définies sur une portion de pas interaubage mais cette portion de pas peut être étendue à un angle de 360 .
Dans le cas des figures 9 et 10, on a représenté une première variante du deuxième mode de réalisation dans laquelle une cavité arrière 14 annulaire a été prévue en regard d'une zone de traitement similaire à celle de la première variante du premier mode de réalisation représentée sur les figures 3 et 4, à savoir une rainure de contour fermé 12' de forme octogonale irrégulière, qui débouche dans la cavité 14. Sur la deuxième variante du deuxième mode de réalisation représentée sur les figures 11 et 12, on retrouve la cavité arrière 14 annulaire qui, dans ce cas, est disposée en regard d'une zone de traitement similaire à celle du premier mode de réalisation représentée sur les figures 1 et 2, à savoir une rainure de contour fermé 12 de forme ovale, qui débouche dans la cavité 14. Pour chacune des variantes du deuxième mode de réalisation, cette cavité 14 présente, de préférence, une profondeur correspondant à une fois à trois fois la profondeur de la zone de traitement (des rainures longitudinales 12"ou de la rainure de contour fermé 12 ou 12'), et une largeur en direction axiale qui est de préférence supérieure à celle de la zone de traitement, en particulier plus grande de 10 à 20 % (en l'espèce la largeur de la zone de traitement correspond à la distance axiale recouverte par les rainures 12"ou la rainure de contour fermé 12 ou 12').
La cavité 14 peut être obtenue par usinage.
De plus, il faut noter que si sur les figures 8,10 et 12, cette cavité 14 arrière semble déboucher à la surface arrière du carter 10, il faut comprendre qu'il s'agit d'une représentation partielle de la paroi du carter 10 qui va comprendre une pièce complémentaire annulaire (non représentée) refermant la cavité 14, afin de permettre une circulation d'air régulée à l'emplacement de la cavité annulaire 14. Selon une disposition. préférentielle, la zone de traitement s'étend axialement sur une distance représentant au moins 2/3 de la longueur des aubes mobiles 20 en direction axiale.
Selon une autre disposition préférentielle, la profondeur de la cavité 14 est comprise entre 1 fois et 4 fois la profondeur de la zone de traitement.

Claims (17)

REVENDICATIONS
1. Carter (10) supportant des séries d'aubes fixes entre lesquelles sont disposées des séries d'aubes mobiles (20) en rotation autour d'un axe longitudinal, l'extrémité radialement externe desdites aubes mobiles (20) étant proche de la face interne du carter (10), caractérisé en ce qu'il comporte, au moins sur une couronne située en regard de l'une des séries d'aubes mobiles (20), au moins une zone de traitement de carter (12, 12' ; 12") en regard des aubes et comprenant une perturbation du relief de surface.
2. Carter selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone est localisée sur un secteur angulaire correspondant à 1,5 - 2,5 pas d'aubes mobiles.
3. Carter selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite zone de traitement de carter comporte au moins une rainure (12, 12') délimitant un contour fermé.
4. Carter selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite zone de traitement de carter comporte au moins deux rainures parallèles (12") dont la longueur s'étend en direction transversale.
5. Carter selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite zone de traitement s'étend axialement sur une distance représentant au moins 2/3 de la longueur des aubes mobiles (20) en direction axiale.
6. Carter selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite zone de traitement a un contour fermé globalement courbe.
7. Carter selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite zone de traitement comporte une rainure ovale.
8. Carter selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite zone de traitement comporte un ensemble de tronçons rectilignes reliés entre eux pour former une figure géométrique irrégulière.
9. Carter selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite figure géométrique comporte huit côtés.
10. Carter selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite zone de traitement de carter est formée sur une plaque rapportée sur le carter (10).
11. Carter selon la revendication précédente, caractérisé en 5 ce que ladite plaque est réalisée en un matériau abradable.
12. Carter selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une cavité (14) formée derrière et radialement à l'extérieur de la zone de traitement.
13. Carter selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il 10 comporte plusieurs zones de traitement et en ce que ladite cavité (14) de chaque zone de traitement est en communication avec ladite cavité (14) d'une autre zone de traitement.
14. Carter selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que la profondeur de ladite cavité (14) est comprise entre 1 et 4 fois la 15 profondeur de la zone de traitement.
15. Carter selon la revendication 12, 13 ou 14, caractérisé en ce que l'étendue en direction axiale de ladite cavité (14) est comprise de 10 à 20% fois plus importante que l'étendue en direction axiale de la zone de traitement. 20
16. Compresseur axial comprenant, à titre de stator, un carter (28) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
17. Turbomachine, en particulier turboréacteur, comprenant un compresseur selon la revendication 16.
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