FR2914705A1

FR2914705A1 - Compresseur de turbomachine avec trous de prelevement d'air

Info

Publication number: FR2914705A1
Application number: FR0754343A
Authority: FR
Inventors: Vincent Perrot; Armel Touyeras; Arnaud Lucien
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2007-04-06
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2008-10-10
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: FR2914705B1

Abstract

Compresseur de turbomachine avec un rotor (4) comprenant plusieurs rangées d'aubes mobiles (16), mutuellement écartées dans la direction de l'axe de rotation (A) du rotor, et un stator (6) comprenant un carter (14) qui enveloppe les aubes mobiles et porte plusieurs rangées d'aubes fixes (18), intercalées entre les rangées d'aubes mobiles, des trous de prélèvement d'air (20) étant ménagés dans ledit carter, caractérisé en ce que chaque trou de prélèvement (20) débouche dans un canal inter-aubes (26) d'une rangée d'aubes fixes (18), exclusivement dans une région amont de ce canal qui s'étend entre 10 et 60% de la longueur de corde des aubes fixes (18), à partir du bord d'attaque des ces aubes fixes.

Description

i L'invention a pour objet un compresseur de turbomachine. Elle se destine

à tout type de turbomachine, terrestre ou aéronautique, et notamment aux turboréacteurs d'avions.

Plus particulièrement, l'invention concerne un compresseur de turbomachine avec un rotor comprenant plusieurs rangées (ou grilles) d'aubes mobiles, mutuellement écartées dans la direction de l'axe de rotation du rotor, et un stator comprenant un carter qui enveloppe lesdites aubes mobiles et porte plusieurs rangées (ou grilles) d'aubes fixes, intercalées entre les rangées d'aubes mobiles, des trous de prélèvement d'air étant ménagés dans ledit carter et débouchant dans la veine du compresseur. Ces trous de prélèvement ont pour fonction principale de prélever de l'air comprimé circulant dans la veine du compresseur. Cet air comprimé est ensuite redistribué vers d'autres parties de la turbomachine, extérieures au carter, pour refroidir celles-ci ou pour les actionner. Par exemple, lorsque la turbomachine est un turboréacteur d'avion, une partie de l'air comprimé prélevé dans la veine du compresseur est acheminée vers la turbine du turboréacteur pour la refroidir, et une autre partie est extraite du moteur et utilisée pour des servitudes "avion". Ces trous de prélèvement d'air sont souvent ménagés dans une portion du carter, située entre une rangée d'aubes fixes et une rangée d'aubes mobiles. Ils peuvent également être situés dans une portion du carter qui entoure une rangée d'aubes mobiles, comme l'illustrent les documents US 4711084, US 5209633, et EP 1693572 A2. Dans ce dernier cas, les trous de prélèvement débouchent entre le carter et l'extrémité libre des aubes mobiles. A cet endroit, ils permettent de prélever une partie de l'air parasite qui se faufile dans le jeu E existant entre l'extrémité des aubes mobiles et le carter, comme expliqué paragraphe [0016] de EP 1693572 A2. On connaît également le dispositif pour l'extraction et la neutralisation de particules inflammables de la veine du compresseur, décrit dans le document US 4155680 et dans lequel des trous sont ménagés dans une portion du carter qui entoure une rangée d'aubes fixes.

Chaque trou débouche dans un canal inter-aubes de ladite rangée, à mi-distance entre le bord d'attaque et le bord de fuite des aubes fixes. 2 La présente invention vise à proposer un compresseur de turbomachine dont le carter présente des trous de prélèvement qui débouchent dans les canaux inter-aubes d'une rangée d'aubes fixes suivant certaines conditions et permettent ainsi d'améliorer les performances du compresseur, notamment en terme de rendement de compression, par rapport à un compresseur présentant un prélèvement conventionnel ou à un compresseur avec un carter présentant des trous non dédiés à l'amélioration desdites performances, comme celui de US 4155680.

Ce but est atteint grâce à un compresseur de turbomachine avec un rotor comprenant plusieurs rangées d'aubes mobiles, mutuellement écartées dans la direction de l'axe de rotation du rotor, et un stator comprenant un carter qui enveloppe les aubes mobiles et porte plusieurs rangées d'aubes fixes, intercalées entre les rangées d'aubes mobiles, des trous de prélèvement d'air étant ménagés dans ledit carter, caractérisé en ce que chaque trou de prélèvement débouche dans un canal inter-aubes d'une rangée d'aubes fixes, exclusivement dans une région amont de ce canal s'étendant (suivant ledit axe de rotation) entre 10 et 60% de la longueur de corde des aubes fixes, à partir du bord d'attaque de ces aubes fixes. Le terme "exclusivement" est employé ici pour indiquer que les trous de prélèvement ne débouchent pas en dehors de ladite région amont (notamment, ils ne débordent pas le contour de cette région). Lors du passage dans une rangée d'aubes fixes, l'air subit une déviation conduisant à lui faire perdre de sa vitesse au profit d'une augmentation de sa pression statique. Dans ces conditions, des pertes aérodynamiques appelées pertes par diffusion se produisent. Dans la zone proche du carter, ces pertes par diffusion se combinent avec des pertes aérodynamiques dues à la friction le long de la face interne du carter et donnent naissance à des écoulements d'air à faible quantité de mouvement. Ces écoulements d'air à faible quantité de mouvement génèrent des turbulences et sont la source de pertes aérodynamiques, à la fois au niveau de la rangée d'aubes fixes concernée, mais également en aval de celle-ci. Ces turbulences et ces pertes aérodynamiques sont à l'origine de pertes de performances globales du compresseur de la turbomachine, aussi bien en terme de rendement que de stabilité.

Or, le demandeur a constaté que les écoulements d'air à faible quantité de mouvement, localisés dans les régions aval des canaux inter-aubes d'une grille d'aubes fixes, prenaient naissance dès la partie amont de ces canaux, dans une région s'étendant (en fonction des conditions de l'écoulement de l'air) entre 10% et 60% de la longueur de corde, à partir du bord d'attaque de ces aubes fixes. De là résulte l'intérêt de faire déboucher les trous de prélèvement dans cette région amont. En prélevant une partie de l'air circulant dans cette région, on limite l'influence néfaste des écoulements d'air à faible quantité de mouvement et on améliore les performances globales du compresseur. On obtient les meilleures performances, lorsque les trous de prélèvement débouchent dans la région amont du canal inter-aubes, qui s'étend entre 10% et 40% de la longueur de corde des aubes fixes, à partir du bord d'attaque des ces aubes fixes.

Chaque canal inter-aubes est délimité, d'un côté, par la paroi intrados d'une première aube fixe et, de l'autre, par la paroi extrados d'une deuxième aube fixe, adjacente à la première. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque trou de prélèvement débouche dans la moitié du canal (i.e. dans le demi-canal) située du côté de ladite paroi d'extrados. Le positionnement des trous de prélèvement selon ce dernier mode de réalisation, permet de limiter le décollement du fluide qui se produit du coté d'extrados des aubes fixes et qui est accentué dans la zone proche du carter et, ainsi, de réduire les pertes aérodynamiques associées à ce décollement. On notera que dans le cas d'un carter avec des trous de prélèvement débouchant au niveau d'une rangée d'aubes mobiles, le prélèvement d'air a pour fonction de limiter l'obstruction aérodynamique générée par l'écoulement parasite - dit écoulement de jeu - en tête des aubes mobiles. Dans le cas d'une rangée d'aubes fixes, donc sans jeu entre l'aube et le carter mais, au contraire, avec un encastrement de l'aube fixe dans le carter, le prélèvement d'air a de toutes autres fonctions, comme expliqué ci-dessus. On notera que la présence de trous de prélèvement qui, conformément à l'invention sont ménagés dans une portion du carter qui entoure une rangée d'aubes fixes, est compatible avec la présence 4 d'autres trous de prélèvement qui seraient ménagés dans une portion du carter entourant une rangée d'aubes mobiles. Selon un mode de réalisation particulier, chaque trou de prélèvement d'air est incliné à partir de son entrée d'air, vers l'aval du compresseur et dans le sens de rotation des aubes mobiles. Cette double inclinaison des trous de prélèvement tient compte de la trajectoire locale de l'écoulement de l'air dans la région aval du canal inter-aubes et permet de prélever l'air de façon plus efficace, c'est à dire en limitant les pertes de pression inhérentes à tout dispositif de prélèvement.

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit carter présente, en outre, des trous de réinjection d'air, chaque trou de réinjection débouchant au droit ou en amont d'une rangée d'aubes mobiles située en amont des trous de prélèvement (i.e. soit la rangée d'aubes mobiles située juste en amont, soit une autre rangée d'aubes mobiles plus éloignée en amont), et un circuit de re-circulation d'air reliant ces trous de réinjection auxdits trous de prélèvement. La re-circulation de l'air prélevé et sa réinjection au droit ou en amont d'une rangée d'aubes mobiles, c'est à dire dans le jeu E existant entre l'extrémité des aubes mobiles et le carter, permet de "ré-énergiser" la composante axiale de l'écoulement d'air au niveau du carter et ainsi de limiter l'écoulement parasite, dit écoulement de jeu, qui se faufile dans le jeu E, de l'intrados vers l'extrados de chaque aube mobile. La diminution de l'intensité de l'écoulement parasite permet d'améliorer encore les performances du compresseur.

Selon un mode de réalisation particulier, chaque trou de réinjection débouche au droit ou en amont d'une rangée d'aubes mobiles, ce qui permet de limiter l'écoulement de jeu. Lorsqu'un trou de réinjection débouche en amont d'une rangée d'aubes mobiles, il débouche en aval de la rangée d'aubes fixes précédant (i.e. située juste en amont) la rangée d'aubes mobiles. C'est en réinjectant de l'air dans cette région qu'on limite le plus l'écoulement de jeu. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée d'exemples de compresseur selon l'invention. Cette description qui suit, fait référence aux figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement et partiellement, en demi-coupe axiale, un exemple de compresseur selon l'invention ; - la figure 2 représente en détail le canal inter-aubes de la zone II de la figure 1 ; - la figure 3 représente, le canal inter-aubes de la figure 2 en vue développée dans le plan aube à aube correspondant, suivant la flèche III ; - la figure 4 est une vue en coupe suivant le plan IV-IV du canal inter-aubes de la figure 2. - la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 2, selon un deuxième exemple de compresseur selon l'invention; - la figure 6 représente schématiquement et partiellement, en demi-coupe axiale, un troisième exemple de compresseur selon l'invention ; et - la figure 7 représente schématiquement, un détail d'un quatrième exemple de compresseur selon l'invention. La figure 1 représente partiellement et en demi-coupe axiale suivant l'axe A, un exemple de compresseur selon l'invention. Plus précisément, il s'agit d'un compresseur haute pression d'un turboréacteur d'avion. Ce compresseur 1 comprend un ensemble tournant, ou rotor 4, et un ensemble fixe ou stator 6, disposé autour du rotor 4. Le rotor 4 tourne autour de l'axe de rotation A qui est également l'axe central longitudinal du turboréacteur. Le compresseur 1 présente une sensible symétrie de révolution autour de l'axe de rotation A. Le rotor 4 est formé d'un empilement de disques 10 à la périphérie desquels sont fixées des aubes 16, dites mobiles, dont la tête reste libre. Ces aubes mobiles 16 sont orientées radialement par rapport l'axe A et sont réparties régulièrement à la périphérie des disques 10. Pour designer les aubes 16 d'un même disque 10, on parle d'une rangée d'aubes mobiles, ou d'une grille mobile 22. Les grilles mobiles 22 sont mutuellement écartées dans la direction de l'axe de rotation A. La présente invention n'est pas spécifique à la technologie de rotor présentée en figure 1.

Le stator 6 comprend un carter 14 qui enveloppe les rangées d'aubes mobiles 16 et auquel sont fixées des aubes 18, dites fixes. Ces 6 aubes fixes 18 sont également disposées radialement autour de l'axe A et réparties en plusieurs rangées, ou grilles fixes 24, mutuellement écartées dans la direction de l'axe A. Ces grilles fixes 24 sont intercalées entre les grilles mobiles 22, et le couple grille mobile 22/grille fixe 24 forme un "étage" du compresseur 1. Conformément à l'invention, et en référence aux figures 1 à 4, des trous de prélèvement d'air 20 sont ménagés dans la partie du carter 14 qui entoure (et porte) les aubes fixes 18. Ces trous de prélèvement 20 débouchent dans les canaux inter-aubes 26 d'une grille fixe 24, c'est-à-dire dans les espaces libres séparant deux aubes fixes 18 adjacentes de la grille fixe 24. Chaque canal inter-aubes 26 est délimité, d'un côté, par la paroi intrados 18i d'une première aube fixe et, de l'autre côté, par la paroi extrados 18e d'une deuxième aube fixe, adjacente à la première. Il y a généralement un trou de prélèvement 20 par canal inter- aubes 26. En outre, ces trous de prélèvement 20 débouchent dans une région R précise du canal inter-aubes 26. Cette région R est illustrée sur la figure 3 qui est une vue développée du canal 26 dans le plan aube à aube correspondant, c'est-à-dire le plan des aubes fixes 18 bordant le canal 26.

La région R du canal 26 dans laquelle débouchent les trous de prélèvement 20 est la région amont du canal 26 qui s'étend suivant l'axe de rotation A, entre 10% et 60% de la longueur de corde L des aubes fixes 18, à partir du bord d'attaque de ces aubes 18. Cette région R est hachurée sur la figure 3. Comme on le voit sur cette figure, les trous de prélèvement 20 débouchent exclusivement dans la région R du canal 26, au sens ou leur orifice d'entrée d'air 20a ne déborde pas le contour de cette région R'. On notera que les notions de longueur de corde d'aube, de bord d'attaque, de bord de fuite, de paroi intrados, de paroi extrados, de plan aube à aube et de plan méridien sont bien connues de l'homme du métier. En outre, l'amont et l'aval sont définis dans la présente demande par rapport au sens d'écoulement normal des gaz à travers le compresseur. Avantageusement, la région dans laquelle débouchent les trous de prélèvement 20 est plus restreinte que la région R précitée, et se limite à la région R' qui, dans le plan aube à aube de la figure 3, est délimitée, 7 d'un côté, par la courbe C qui est la courbe médiane entre les deux aubes 18 adjacentes et, de l'autre, par la paroi d'extrados 18e d'une des deux aube 18. La région R' correspond donc avec le demi-canal situé du côté d'extrados de l'une des deux aubes 18 délimitant le canal 26. La région R' est repérée par des double hachures sur la figure 3. Les trous de prélèvement 20 débouchent dans la région R' au sens ou leur orifice d'entrée d'air 20a est centré dans cette région R'. La périphérie de cet orifice 20a peut néanmoins déborder le contour de cette région R'. Les trous de prélèvement 20 sont préférentiellement de section circulaire mais pas exclusivement, ils pourraient avoir une autre forme. En référence aux figures 2 et 3, on va maintenant décrire la double inclinaison des trous de prélèvement 20. Chacun des trous de prélèvement 20 présente un axe d'inclinaison X. En projection dans le plan aube à aube de la figure 3, l'axe X est incliné dans le sens de rotation des aubes mobiles 16 (repéré par la flèche M) et forme avec l'axe de rotation A un angle T compris entre 0 et 60 . En outre, en projection dans le plan méridien, qui est perpendiculaire au plan aube à aube et contient l'axe A, l'axe d'inclinaison X forme avec l'axe de rotation A un angle P compris entre 30 et 90 .

L'angle P est repéré dans le plan de la figure 2 qui correspond au plan méridien. Avantageusement, l'angle P est strictement supérieur à 30 et strictement inférieur à 90 . Cette double inclinaison (angles T et P) des trous de prélèvement 20 à partir de leur entrée d'air, tient compte de l'orientation de l'écoulement de l'air dans le canal inter-aubes 26 et permet, ainsi, un prélèvement de l'air plus efficace, c'est à dire de limiter les pertes de pression locales inhérentes à tout dispositif de prélèvement. On a représenté schématiquement, en projection dans le plan de la figure 2, l'écoulement d'air F traversant le compresseur et l'écoulement d'air F' prélevé dans les trous de prélèvement 20. On notera que, sur les figures 1 à 4, les trous de prélèvement 20 traversent de part en part le carter 14. L'air prélevé peut ensuite être acheminé vers d'autres parties du turboréacteur via des moyens de redistribution. Par exemple, l'air prélevé peut être acheminé soit vers des parties du turboréacteur extérieures au compresseur (voir figure 5) soit vers d'autres zones du compresseur (voir figure 6). 8 Quelle que soit l'utilisation de l'air prélevé, le compresseur 1 peut comprendre, en outre, au moins une vanne 32 permettant de réguler le débit d'air traversant les trous de prélèvement 20. Avantageusement, cette vanne est contrôlée par une unité de contrôle, en fonction du fonctionnement du turboréacteur (plus généralement, de la turbomachine). Il peut y avoir une vanne par trou de prélèvement 20, des vannes communes à plusieurs trous, ou une vanne commune à l'ensemble des trous de prélèvement. Dans l'exemple de la figure 5, chaque trou de prélèvement 20 est raccordé en sortie à un conduit 30 extérieur au carter 14, permettant d'acheminer l'air prélevé vers une autre zone du turboréacteur. Une vanne 32 est montée dans ledit conduit 30. L'ouverture ou la fermeture de la vanne est contrôlée par une unité de commande 34 en fonction du fonctionnement du turboréacteur. La régulation de la vanne peut être effectuée en boucle dite ouverte, c'est à dire prédéterminée, ou en boucle dite fermée, c'est à dire définie par la mesure de paramètres du compresseur. Ensuite, par exemple, l'air prélevé est injecté dans un collecteur 35 pour refroidir ou ventiler le système moteur, ou encore alimenter le système d'air avionneur.

Dans l'exemple de la figure 6, le carter présente des trous de réinjection d'air 50. Chaque trou 50 débouche au droit d'une grille d'aubes mobiles 24, et un circuit de re-circulation d'air 52 relie les trous de prélèvement 20 aux trous de réinjection 50. Ainsi, l'air prélevé au niveau de la grille fixe 24 est réinjecté au niveau d'une grille mobile 22. Dans l'exemple, il s'agit de la grille mobile 22 située juste en amont de la grille fixe 24. L'air injecté via les trous de réinjection 50 dans la veine du compresseur 1 "ré-énergise" la composante axiale de l'écoulement f au niveau du carter, limitant l'écoulement parasite circulant dans le jeu E existant entre l'extrémité des aubes mobiles 16 et le carter 14, ce qui permet d'améliorer les performances du compresseur. Avantageusement, pour optimiser cet effet, chaque trou de réinjection 50 débouche au droit de la grille mobile 22, dans une région qui s'étend entre 30% et 70% de la longueur de corde des aubes mobiles 16, à partir du bord d'attaque de ces aubes mobiles. 9 Afin de mieux "ré-énergiser" la composante axiale de l'écoulement circulant dans le jeu E, ledit carter 14 présente un rainurage 54 disposé au voisinage de chaque trou de réinjection 50. Ce rainurage 54 est généralement présent en amont et en aval des trous de réinjection 50.

De préférence, les trous de réinjection 50 débouchent au fond d'une des rainures du rainurage 54. Avantageusement, et toujours pour optimiser l'effet de barrage, les trous de réinjection pourront aussi déboucher en amont des roues mobiles par le biais d'un injecteur spécifique, tel que les trous de réinjection 50' (voir figure 7) qui débouchent, dans l'exemple, en amont de la grille mobile 22. On peut monter la vanne 32 précédemment décrite dans ledit circuit de re-circulation 52 qui peut être extérieur au carter, comme représenté sur la figure 6, ou réalisé dans l'épaisseur du carter, comme représenté sur la figure 7. Dans ce dernier exemple, le carter est en plusieurs parties 14a et 14b définissant entre elles le circuit de recirculation 52', les trous de prélèvement 20', et les trous de réinjection 50'. Une vanne peut être montée dans le circuit 52', de même qu'un rainurage peut être réalisé au voisinage des trous de réinjection 50'.20

Claims

REVENDICATIONS

1. Compresseur de turbomachine avec un rotor (4) comprenant plusieurs rangées d'aubes mobiles (16), mutuellement écartées dans la direction de l'axe de rotation (A) du rotor, et un stator (6) comprenant un carter (14) qui enveloppe les aubes mobiles et porte plusieurs rangées d'aubes fixes (18), intercalées entre les rangées d'aubes mobiles, des trous de prélèvement d'air (20) étant ménagés dans ledit carter, caractérisé en ce que chaque trou de prélèvement (20) débouche dans un canal inter-aubes (26) d'une rangée d'aubes fixes (18), exclusivement dans une région amont (R) de ce canal qui s'étend entre 10% et 60% de la longueur de corde (L) des aubes fixes (18), à partir du bord d'attaque des ces aubes fixes.

2. Compresseur de turbomachine selon la revendication 1, dans lequel ledit canal inter-aubes (26) est délimité, d'un côté, par la paroi intrados (18i) d'une première aube fixe (18) et, de l'autre, par la paroi extrados (18e) d'une deuxième aube fixe (18), adjacente à la première, et dans lequel chaque trou de prélèvement (20) débouche dans la moitié dudit canal (26) située du côté de ladite paroi extrados (18e).

3. Compresseur de turbomachine selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque trou de prélèvement (20) est incliné à partir de son entrée d'air, vers l'aval du compresseur et dans le sens de rotation des aubes mobiles (16).

4. Compresseur de turbomachine selon la revendication 3, dans lequel chaque trou de prélèvement (20) présente un axe d'inclinaison (X) qui, en projection dans le plan méridien correspondant, forme avec l'axe de rotation (A) du rotor un angle (P) compris entre 30 et 90 . Il

5. Compresseur de turbomachine selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l'axe d'inclinaison (X) de chaque trou de prélèvement (20), en projection dans le plan aube à aube correspondant, forme avec l'axe de rotation (A) du rotor un angle (T) compris entre 0 et 60 .

6. Compresseur de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite région amont (R) du canal inter-aubes (26) s'étend entre 10% et 40% de la longueur de corde (L) des aubes fixes (18), à partir du bord d'attaque des ces aubes fixes.

7. Compresseur de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ledit carter (14) présente, en outre, des trous de réinjection d'air (50), chaque trou de réinjection débouchant au droit d'une rangée d'aubes mobiles (16), et un circuit de re-circulation d'air (52) reliant ces trous de réinjection auxdits trous de prélèvement (20).

8. Compresseur de turbomachine selon la revendication 7, dans lequel chaque trou de réinjection (50) débouche au droit ou en amont d'une rangée d'aubes mobiles (16), tout en restant en aval de la rangée d'aubes fixes (18) précédant cette rangée d'aubes mobiles.

9. Compresseur de turbomachine selon la revendication 7, dans lequel chaque trou de réinjection (50) débouche au droit de ladite rangée d'aubes mobiles (16), dans une région qui s'étend entre 30% et 70% de la longueur de corde des aubes mobiles (16), à partir du bord d'attaque de ces aubes mobiles.

10. Compresseur de turbomachine selon la revendication 9, dans lequel ledit carter (14) présente, en outre, un rainurage (54) disposé au voisinage de chaque trou de réinjection (50).

11. Compresseur de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant, en outre, au moins une vanne (32) permettant de réguler le débit d'air traversant lesdits trous de prélèvement (20).

12. Compresseur de turbomachine selon les revendications 7 et 11, dans lequel ladite vanne (32) est montée dans ledit circuit de recirculation (52). 10

13. Turbomachine comprenant un compresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes.

14. Turbomachine selon la revendication 13, comprenant un compresseur selon la revendication 11 et une unité de contrôle (34) 15 pour contrôler l'ouverture ou la fermeture de ladite vanne (32) en fonction des conditions de fonctionnement de la turbomachine.5