FR2931906A1

FR2931906A1 - Compresseur de turbomachine avec un systeme d'injection d'air.

Info

Publication number: FR2931906A1
Application number: FR0853553A
Authority: FR
Inventors: Xavier Agneray; Alexandre Chartoire; Armel Touyeras; Julien Loucheux
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-04
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: US20110076133A1; US8882443B2; FR2931906B1; WO2009156645A1

Abstract

L'invention concerne un compresseur de turbomachine comprenant un carter fixe (34, 36) dans lequel sont logés, en étant espacés dans une direction axiale par rapport à l'axe central de la turbomachine, plusieurs étages de compression comportant chacun une rangée d'aubes mobiles suivie d'une rangée d'aubes fixes. De façon caractéristique, le compresseur comporte en outre un système d'injection d'air comprenant au moins un passage d'injection d'air (44) au travers du carter (34, 36) et dont le tronçon de sortie (44a) débouche de façon inclinée en amont et en direction d'une rangée d'aubes mobiles (181), dans une zone en retrait (36d) de la face interne du carter (36). Application à un compresseur haute pression.

Description

L'invention concerne un compresseur de turbomachine aéronautique, en particulier un compresseur de turboréacteur, et notamment un compresseur pour les moteurs d'avions. L'invention se rapporte en particulier à un compresseur haute pression. Il s'agit principalement d'un compresseur axial. L'invention se rapporte également à une turbomachine comprenant un tel compresseur. Un tel compresseur, surtout quand il s'agit d'un compresseur de type haute pression, est un composant critique de la turbomachine, car il détermine les marges de stabilité de cette dernière et est soumis à d'importantes charges mécaniques tt à des températures élevées. Le compresseur HP d'un turboréacteur est composé de plusieurs étages successifs de compression. Chaque étage est composé d'une rangée ou grille d'aubes mobiles (roue mobile ou rotor) et d'une rangée ou grille d'aubes fixes (roue fixe ou stator).

Lors du passage dans une grille d'aubes fixes (roue fixe), l'air subit une déviation conduisant à lui faire perdre de la vitesse. Dans ces conditions des pertes aérodynamiques par frottements, appelées aussi pertes par diffusion, se produisent. Lors du fonctionnement du moteur, le jeu existant entre les roues mobiles et le carter fixe qui enveloppe le compresseur, constitue un effet technologique majeur qui limite les performances du compresseur haute pression : il y a dégradation du rendement et de l'opérabilité du compresseur. Les pertes par frottement et par effet de jeu peuvent aller jusqu'à générer des décollements de l'air, entraînant alors le phénomène de pompage , qui constitue une limitation du domaine d'utilisation du compresseur. Tout dispositif permettant d'étendre la plage de stabilité du compresseur permet d'augmenter les performances du compresseur. Différentes voies ont été proposées pour minimiser ces phénomènes qui dégradent le rendement et la plage de fonctionnement de la turbomachine. Habituellement, on réalise une recirculation d'air en prélevant de l'air au droit de la tête (ou juste en aval) d'une rangée d'aubes mobiles puis en réinjectant cet air en amont de la tête de cette même rangée d'aubes mobiles. Cette recirculation d'air transite généralement par une cavité ou un passage délimité dans le carter fixe. C'est le cas dans les documents US 2005/0226717 et US 5 474 417. Ces recirculations d'air sont parfois associées à des traitements de carter comme dans le cas du document EP 1 413 771. Toutefois, il persiste un certain nombre de problèmes liés notamment à la perturbation sensible du flux d'air à l'emplacement d'injection de l'air recyclé. Dans le cas du document US 7 077 623 B2, on met en oeuvre une recirculation d'air entre plusieurs étages de compression successifs, par l'intérieur des aubes et par le carter qui porte les aubes, d'une part le long des rangées d'aubes fixes et d'autre part le long des rangées d'aubes mobiles. Cette solution est complexe à mettre en oeuvre. La présente invention a pour objectif de proposer un compresseur permettant de réduire l'impact de l'effet du jeu entre les roues mobiles et le carter sur les performances et l'opérabilité du compresseur.

On cherche également à mettre en place un dispositif assurant un gain de performance globale du système propulsif et s'intégrant dans la technologie de moteur. A cet effet, selon la présente invention, on prévoit que le compresseur de turbomachine comprenant un carter fixe dans lequel sont logés, en étant espacés dans une direction axiale par rapport à l'axe central de la turbomachine, plusieurs étages de compression comportant chacun une rangée d'aubes mobiles (roue mobile/rotor) suivie d'une rangée d'aubes fixes (roue fixe/stator), est caractérisé en ce qu'il comporte en outre un système d'injection d'air comprenant au moins un passage d'injection d'air au travers du carter et dont le tronçon de sortie débouche de façon inclinée (angle alpha) en amont et en direction d'une rangée d'aubes mobiles, dans une zone en retrait (appelée trench ) de la face interne du carter. De cette manière, on comprend que le système d'injection d'air permet, du fait de la géométrie du tronçon de sortie et du carter, d'injecter de l'air en amont d'une rangée d'aubes mobiles sans perturber significativement le flux d'air. Un tel système d'injection d'air permet d'améliorer très significativement la plage de fonctionnement du compresseur ; le système d'injection d'air permet l'injection d'un petit débit d'air en amont d'une des roues mobiles dirigée vers l'aval, qui est préférentiellement mais non exclusivement la première roue mobile du compresseur, et qui permet ainsi de limiter les pertes de performances associées au jeu entre la roue mobile et le carter. Cette solution présente aussi l'avantage supplémentaire, de permettre, par une disposition spécifique de la technologie du carter du turboréacteur, d'être implantée sans augmenter significativement la masse du carter. De préférence, le carter fixe comporte, d'amont en aval, un carter intermédiaire et un carter arrière reliés l'un à l'autre par des brides annulaires. Le passage d'injection d'air est alors délimité entre la bride annulaire du carter arrière et la bride annulaire du carter intermédiaire. De cette façon, en utilisant la zone inter-brides comme emplacement pour le passage d'injection d'air, on permet une mise en oeuvre aisée de l'invention, lors de la fabrication ou lors d'une adaptation du compresseur. 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 coupe axiale d'un turboréacteur comportant un compresseur conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle très agrandie du détail II de la figure 1 en perspective montrant le passage d'injection d'air ; - la figure 3 est une vue schématique illustrant le positionnement du passage d'injection d'air par rapport à la rangée d'aubes mobiles qui est traitée ; - la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3 pour une variante de la forme du passage d'injection d'air ; - les figures 5 et 6 sont des vues en perspective partielle des pièces appartenant au système d'injection d'air selon un premier mode de réalisation, à savoir une fente d'injection d'air circonférentielle délimitée entre le carter intermédiaire et le carter arrière du compresseur haute-pression - la figure 7 est une vue en perspective partielle d'un système d'injection d'air selon un deuxième mode de réalisation, à savoir une rangée d'injecteurs discrets usinés directement dans le carter intermédiaire - la figure 8 est une vue analogue à celle de la figure 7 pour une variante de réalisation du deuxième mode de réalisation, à savoir une rangée d'injecteurs (trous ou petites fentes) disposés sur une pièce supplémentaire montée entre le carter intermédiaire et le carter arrière du compresseur haute pression - les figures 9 et 10 sont des vues en perspective partielle du système d'injection d'air selon un troisième mode de réalisation, à savoir un ensemble de fentes transversales, réparties sur la circonférence - la figure 11 illustre schématiquement une implantation possible de l'ensemble du système d'injection d'air dans un turboréacteur. La figure 1 montre partiellement un turboréacteur 10 d'axe X-X' qui comporte classiquement une nacelle périphérique 12 (représentée partiellement) dans laquelle sont situés, de gauche à droite sur la figure 1 (soit d'amont en aval -si l'on considère le flux d'air- ou d'avant en arrière), successivement la soufflante 14, un compresseur basse pression 16, un compresseur haute pression 18 et une chambre de combustion 20 en aval de laquelle est disposée une turbine (non représentée). L'enveloppe extérieure ou carter fixe 30 du compresseur basse pression 16 et du compresseur haute pression 18 est formé de trois portions de carters reliées deux à deux par des brides annulaires : un carter avant 32 entourant le compresseur basse pression 16, un carter intermédiaire 34 et un carter arrière 36 entourant le compresseur haute pression 18. Si l'on se rapporte aux figures 2 à 8, on visualise plus précisément l'agencement réalisé selon l'invention entre les deux brides annulaires 34a et 36a reliant entre eux le carter intermédiaire 34 et le carter arrière 36 par une liaison boulonnée 38 (alésages filetés 341 et 361 dans les brides 34a, 36a reliées par vis 38a et boulon 38b). Le système d'injection d'air 40 comporte des moyens d'amenée d'air 42 sous la forme d'un conduit 42a et d'un raccord fileté 42b monté sur une ouverture 36b traversant la bride 36a et alimentant ainsi en air un ou plusieurs passage(s) d'injection d'air 44 vers la veine 48, ce(s) passage(s) d'injection d'air 44 étant réalisé(s) entre les brides 34a et 36a et débouchant sur la face interne du carter 30 en amont d'une rangée d'aubes mobiles.

Sur les figures 2 à 8, on a représenté une portion du carter 30 présentant un seul passage d'injection d'air annulaire 44 relié au conduit d'amenée d'air 42a par un seul raccord fileté 42b. La figure 9 illustre une variante dans laquelle le système d'injection d'air 40 comporte plusieurs passages d'injection d'air 44 régulièrement répartis sur la circonférence de la face interne du carter 30, entre les brides 34a, 36a : sur la figure 9, on voit que la sortie (tronçon de sortie 44a) de l'un de ces multiples passages d'injection d'air 44 séparés. Sur cette figure 9, le tronçon de sortie 44a est, comme pour la figure 8, constitué d'une fente. Chaque passage d'injection d'air 44 est relié par un raccord fileté aux moyens d'amenée d'air 42. Le nombre et la répartition exact de ces passage d'injection d'air 44 sera déterminé en fonction de la taille du moteur et des contraintes d'installation.

Ainsi, de par sa localisation, le passage d'injection d'air annulaire 44 est très facilement obtenu par usinage (notamment sur un tour d'usinage) des faces des brides 34a et 36a destinées à venir l'une contre l'autre lors de l'assemblage du carter 30, et de la zone en retrait 36d si elle n'est pas déjà présente. En particulier, il faut relever que grâce à cette implantation inter-brides, la formation de ce (ou ces) passage d'injection d'air 44 peut être mise en oeuvre sur du matériel préexistant Si l'on se reporte à la figure 3 représentant la forme du passage d'injection d'air 44 en coupe axial selon l'axe X-X' du turbo réacteur, il apparaît que cette forme permet une pénétration du flux d'air (flèche 46) depuis le passage d'injection d'air 44 en direction et en amont d'une rangée d'aubes mobiles 181, de façon inclinée et tangentiellement à la face interne 36c du carter de compresseur 36. Plus précisément, on relève que le passage d'injection d'air 44 comporte : - un tronçon amont 44c dirigé radialement, et - un tronçon de sortie 44a qui débouche de façon inclinée dans la veine moteur 48 : ce tronçon de sortie 44a forme un angle a aigu (compris entre 0 et 45°, et de préférence entre 10 et 20, et en particulier de l'ordre de 15°) avec la face interne 34c du carter intermédiaire 34 qui est la face du carter qui est située en amont (à l'avant) du système d'injection d'air 40.

En outre, ce tronçon de sortie 44a présente en coupe axial une forme courbe progressive, convexe côté aval (carter arrière 36) et concave côté amont (carter intermédiaire 34), s'appuyant sur un bourrelet 36e qui vient se raccorder tangentiellement avec une zone en retrait 36d (également dénommée trench ) de la face interne 36c du carter arrière 36. Cette zone en retrait 36d forme un angle aigu R de faible valeur avec la face interne 34c du carter intermédiaire 34 et avec la face interne 36c du carter arrière 36 située en dehors de la zone en retrait 36d qui fait face à la rangée d'aubes mobiles 181, et ceci pour que la zone en retrait 36d se raccorde progressivement, en aval de la rangée d'aubes mobiles 181 correspondante, avec la face interne 36c du carter arrière 36. Une telle zone en retrait 36d permet classiquement d'améliorer les performances en minimisant la perturbation correspondant au tourbillon de jeu sur le flux principal. Dans le cas présent, le retrait vis à vis de la veine 48 permet d'optimiser l'implantation de l'injecteur et d'assurer une direction d'injection avec un angle a optimum (compris entre 0 et 45°, et de préférence entre 10 et 20, et en particulier de l'ordre de 15°).

Selon une variante de réalisation représentée sur la figure 4, la zone en retrait 36d est raccordée au bourrelet 36e du passage d'injection d'air 44, sur la face interne 36c du carter arrière 36, non pas par une paroi courbe comme sur la figure 3, mais par une paroi 36g, 36h présentant une double pente. Cette forme permet d'assurer l'implantation du système d'injection d'air 40 de façon suffisamment rasante vis à vis de la veine 48 même dans le cas où la bride 34a du carter intermédiaire 34 n'est pas située suffisamment en amont de la première roue mobile 181. Le passage d'injection d'air 44 comporte en outre un tronçon 44b avec une section rétrécie par rapport au tronçon amont 44c, située en amont du tronçon de sortie 44a, entre le tronçon amont 44c et le tronçon de sortie 44a : c'est la forme spécifique du bourrelet 36e formé sur la face de la bride 36a tournée vers le carter intermédiaire 34 qui permet cette réduction de section par rapport au tronçon amont 44c du passage d'injection d'air 44.

Globalement, le tronçon de sortie 44a forme un coude depuis un tronçon amont 44c du passage d'injection d'air 44 dirigé radialement en direction de la veine moteur 48 dirigée axialement, sa face interne formant un congé 34d du coté du carter intermédiaire 34 et un bourrelet 36e du côté du carter arrière 36. Grâce au tronçon 44b avec une section rétrécie, on réalise une accélération du flux d'air jusqu'à vitesse pouvant atteindre 0.8 à 1.2 Mach, soit un écoulement transsonique. De cette façon, on réalise l'injection dirigée d'un petit débit d'air à forte vitesse en amont de la tête des aubes d'une roue mobile, ce qui permet de limiter la dégradation de performance du compresseur liée aux pertes de pression induites par l'effet du jeu entre la roue mobile et le carter. Selon le premier mode de réalisation représenté sur les figures 2 à 6, le tronçon de sortie 44a est formé d'une fente annulaire, axisymétrique. Ce mode de réalisation peut être conservé pour la mise en place de fentes partielles réparties sur la circonférence et espacées en remplacement d'une fente annulaire, comme dans le troisième mode de réalisation illustré sur les figures 9 et 10. Alternativement, selon un deuxième mode de réalisation, comme il apparaît sur la figure 7, le tronçon de sortie 44a est formé d'une série d'orifices répartis le long de la surface annulaire du carter 34 Dans ce cas, les orifices constituant le tronçon de sortie 44a prolongent radialement le tronçon amont 44c annulaire du passage d'injection d'air 44 et sont formés par dans l'extrémité annulaire d'une bride axiale 34e du carter intermédiaire 34.

Selon une variante, représentée sur la figure 8, de ce deuxième mode de réalisation la bride axiale 34e est remplacée par une pièce séparée formée d'une entretoise 37 usinée séparément et rapportée entre le carter intermédiaire 34 et le carter arrière 36, cette entretoise 37 étant percées d'orifices ou de petites fentes inclinés constituant le tronçon de sortie 44a du passage d'injection d'air 44. Ainsi, l'entretoise 37 forme une pièce séparée qu'il est plus aisé de remplacer que de changer à la fois le carter intermédiaire 34 et le carter arrière 36. Selon un troisième mode de réalisation de l'invention visible sur les figures 9 et 10, le tronçon de sortie 44a du passage d'injection d'air 44 est formée de fentes transversales réparties de façon annulaire et implantées via un usinage spécifique de la bride 34e.

De préférence, le tronçon de sortie 44a du passage d'injection d'air 44 débouche en amont de la première rangée d'aubes mobiles 181 (voir les figures 1 et 9), en aval des aubes d'entrées 180 ou IGV (inlet guide vanes).

Cependant, on peut placer le passage d'injection d'air 44 en amont d'une autre ou de plusieurs rangée(s) d'aubes mobiles parmi les rangées d'aubes mobiles 181, 183, 185 et 187, lesquelles sont intercalées entre les rangées d'aubes fixes 182, 184, 186 et 188. Le système d'injection d'air 40 est associé à un système de prélèvement d'air 50 (voir sur la figure 9). A cet effet, le système d'injection d'air est alimenté en air par un système de prélèvement d'air débouchant en regard d'une rangée d'aubes mobiles située en aval par rapport à la rangée d'aubes mobiles en avant de laquelle se trouve le passage d'injection d'air 44.

Avantageusement, le système de prélèvement de l'air 50 alimentant le système d'injection d'air 40 de l'invention est réalisé en regard de la deuxième rangée d'aubes mobiles située en aval de la rangée d'aubes mobiles en avant de laquelle se trouve le passage d'injection d'air 44.

C'est le cas de l'exemple de la figure 11 sur laquelle le tronçon de sortie 44a du passage d'injection d'air 44 débouche en amont de la première rangée d'aubes mobiles 181 et le système de prélèvement d'air 50 est alimenté en regard de la troisième rangée d'aubes mobiles 185. Un exemple de mise en oeuvre d'une telle implantation a permis de réduire la consommation spécifique en carburant du moteur. Il faut noter que l'on forme, grâce au système de prélèvement d'air 50 et au système d'injection d'air 40, une circulation d'air auto alimentée du seul fait de la différence de pression entre l'emplacement de la veine moteur 48 où s'effectue le prélèvement d'air et l'emplacement de la veine moteur 48 où s'effectue l'injection d'air. Sur cette figure 11, a également été représenté de façon schématique un système de prélèvement d'air classique 60, prélevant de l'air en aval de la troisième roue d'aubes mobiles 185, en direction de la turbine haute pression et/ou d'autres parties du moteur à ventiler et/ou de l'intérieur de l'avion (en particulier de l'habitacle).

On comprend que la taille de la section du tronçon de sortie 44a (que ce soit une fente circonférentielle ou une rangée d'orifices) conditionne en premier lieu le débit de sortie de l'air injecté. De façon optionnelle, on prévoit que le système d'injection d'air 40 comprend en outre des moyens de régulation (non représentés) du débit d'air pénétrant dans le passage d'injection d'air 44 et permettant l'activation ou non du système d'injection d'air en fonction des conditions de fonctionnement du compresseur haute pression Il faut relever que le compresseur haute pression 18, équipé, conformément à l'invention, du système d'injection 40 et du système de prélèvement d'air 50 décrits précédemment, améliore la consommation spécifique en carburant du moteur par recyclage de l'air à l'intérieur même du compresseur. En effet les dispositifs d'aspiration de l'air sur l'étage rotorique et de réinjection permettent d'améliorer les performances dans une proportion supérieure aux pertes inhérentes au circuit de recyclage.

Claims

REVENDICATIONS1. Compresseur (18) de turbomachine comprenant un carter fixe (32, 34, 36) dans lequel sont logés, en étant espacés dans une direction axiale par rapport à l'axe central de la turbomachine, plusieurs étages de compression comportant chacun une rangée d'aubes mobiles (181, 183, 185, 187) suivie d'une rangée d'aubes fixes (182, 184, 186, 188), caractérisé en ce qu'il comporte en outre un système d'injection d'air (40) comprenant au moins un passage d'injection d'air (44) au travers du carter (34, 36) et dont le tronçon de sortie (44a) débouche de façon inclinée en amont et en direction d'une rangée d'aubes mobiles (181), dans une zone en retrait (36d) de la face interne du carter (36).
2. Compresseur (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tronçon de sortie (44a) forme un coude.
3. Compresseur (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le passage d'injection d'air présente, en amont du tronçon de sortie (44a), un tronçon (44b) avec une section rétrécie.
4. Compresseur (18) selon l'une quelconque des 20 revendications précédentes, caractérisé en ce que le tronçon de sortie (44a) débouche en amont de la première rangée d'aubes mobiles (181).
5. Compresseur (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tronçon de sortie (44a) forme un angle a aigu avec la face interne (34c) du carter (34) 25 située en amont du système d'injection d'air (40).
6. Compresseur (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le passage d'injection d'air (44) est annulaire.
7. Compresseur (18) selon la revendication 6, caractérisé 30 en ce que le tronçon de sortie (44a) est formé d'une fente annulaire.
8. Compresseur (18) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le tronçon de sortie (44a) est formé d'une série d'orifices répartis le long de la surface annulaire du carter.
9. Compresseur (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système d'injection d'air est alimenté en air par un système de prélèvement d'air (50) débouchant en regard d'une rangée d'aubes mobiles située en aval par rapport à la rangée d'aubes mobiles en avant de laquelle se trouve le passage d'injection d'air (44).
10. Compresseur (18) selon la revendication 9, caractérisé en ce que le prélèvement de l'air est réalisé en regard de la deuxième rangée d'aubes mobiles (185) située en aval de la rangée d'aubes mobiles (181) en avant de laquelle se trouve le passage d'injection (44).
11. Compresseur (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système d'injection d'air comprend en outre des moyens de régulation du débit d'air pénétrant dans le passage d'injection d'air (44).
12. Compresseur (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il constitue un compresseur haute pression.
13. Compresseur (18) selon la revendication 12, caractérisé en ce que le carter fixe comporte, d'amont en aval, un carter intermédiaire (34) et un carter arrière (36) reliés l'un à l'autre par des brides annulaires (34a, 36a), et en ce que le passage d'injection d'air (44) est délimité entre la bride annulaire (36a) du carter arrière (36) et la bride annulaire (34a) du carter intermédiaire (34).
14. Turbomachine (10) comprenant un compresseur (18) 25 selon l'une quelconque des revendications précédentes.