FR2956454A1 - Aube a angle de calage variable pour la prevention du decollement. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une aube (18) à angle de calage variable comportant un bras fixe (22) amont et un volet mobile (24) aval pivotant à son extrémité amont autour d'un axe de rotation (25) parallèle à la direction longitudinale de l'aube (18), ledit volet étant déplaçable entre une position ouverte dans laquelle il est sensiblement aligné au bras fixe (22) et une position fermée dans laquelle il est incliné par rapport au bras fixe (22). De façon caractéristique, l'aube comporte en outre un dispositif (50) apte à former sur l'extrados (32), dans la position fermée du volet, au moins un élément générateur de vortex (52) afin de permettre la prévention du décollement. Application aux roues directrices d'entrée de compresseur.

Description

L'invention concerne une aube à angle de calage variable, une roue directrice d'entrée de turbomachine comportant une pluralité d'aubes à angle de calage variable et une turbomachine comportant une telle roue directrice d'entrée.

Ce type d'aube à calage variable comporte un bras fixe amont et un volet mobile aval pivotant à son extrémité amont autour d'un axe de rotation parallèle à la direction longitudinale de l'aube, ledit volet étant déplaçable entre une position ouverte dans laquelle il est sensiblement aligné au bras fixe et une position fermée dans laquelle il est incliné par rapport au bras fixe. On rencontre de telles aubes dans les turbomachines, notamment les turboréacteurs d'avion, principalement dans les roues directrices d'entrée des compresseurs, que ce soit pour les compresseurs à basse pression ou les compresseurs à haute pression.

Une roue directrice est montée en aval du cône d'entrée et en amont du compresseur de la turbomachine, et comporte une pluralité d'aubes radiales régulièrement réparties autour de l'axe longitudinal de la roue de la turbomachine, lesdites aubes radiales étant entourées extérieurement par un carter cylindrique d'entrée.

Grâce à l'orientation des volets mobiles, il est possible de régulariser le flux d'air alimentant les étages du compresseur. Cependant, il existe une valeur pour l'orientation des volets mobiles à partir de laquelle on voit apparaître le phénomène de décollement ou de décrochage, à savoir le décollement de la couche limite d'air présente sur l'extrados et qui se généralise sur l'extrados, entraînant une sous-déviation du fluide par rapport à celle théoriquement imposée par le volet. La présente invention a pour objectif de fournir une solution permettant de surmonter les inconvénients de l'art antérieur et en particulier offrant la possibilité d'éviter le phénomène de décollement ou de le retarder à des valeurs plus importantes d'angle entre le volet mobile et le bras fixe. A cet effet, selon la présente invention, l'aube à angle de calage variable est caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un dispositif apte à former sur l'extrados, dans la position fermée du volet, au moins un élément générateur de vortex afin de permettre la prévention du décollement. De cette manière, on comprend que par la présence d'au moins un élément générateur de vortex sur l'extrados dans la position fermée du volet, on crée des turbulences locales à l'emplacement des éléments générateurs de vortex, ce qui a tendance à recoller la couche limite et donc à empêcher le phénomène de décollement, ou tout au moins de le repousser à des valeurs d'angle plus importantes, s'agissant de l'angle formé entre le bras fixe et le volet mobile dans la position fermée de l'aube. En effet, ces éléments générateurs de vortex fonctionnent comme des déflecteurs qui génèrent localement des tourbillons ou autre perturbation du flux aérodynamique. De cette façon, en améliorant la plage de fonctionnement sans décollement de la roue directrice d'entrée, on réduit ponctuellement l'incidence et le nombre de Mach relatif amont de la roue mobile située à l'aval de la roue directrice, menant ainsi pour le compresseur à un meilleur rendement et une meilleure marge au pompage à régime intermédiaire. La présente invention porte par ailleurs sur une roue directrice, notamment une roue directrice d'entrée de turbomachine, comportant une pluralité d'aubes à angle de calage variable telles que décrites précédemment, lesdites aubes étant régulièrement réparties autour de l'axe central de la roue. La présente invention se rapporte aussi à un compresseur, notamment un compresseur basse pression mais aussi un compresseur haute pression, comportant une roue directrice telle que définie précédemment. La présente invention concerne également une turbomachine comprenant une roue directrice telle que définie précédemment.

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 demi-vue schématique en coupe axiale d'une roue directrice d'entrée d'une turbomachine selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale agrandie d'une aube à angle de calage variable de la roue directrice d'entrée de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue très schématique en coupe 5 transversale, montrant l'apparition du phénomène de décollement avec des aubes à angle de calage variable selon l'art antérieur, - la figure 4 est une vue similaire à la figure 3, pour des aubes à angle de calage variable selon l'invention, - les figures 5 et 6 représentent, respectivement en 10 position ouverte et en position fermée une vue schématique en coupe transversale agrandie d'une aube à angle de calage variable selon une première variante de réalisation de l'invention, les figures 7 et 8 représentent, respectivement en position ouverte et en position fermée, une vue schématique en coupe 15 transversale agrandie d'une aube à angle de calage variable selon une deuxième variante de réalisation de l'invention, et la figure 9 est une vue analogue à celle de la figure 1 qui illustre une répartition possible des éléments générateurs de vortex le long de la direction longitudinale d'une aube à angle de calage variable 20 selon l'invention. Dans la suite de la description, sauf s'il en est précisé autrement, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz (de l'amont vers l'aval) à travers la turbomachine. Par ailleurs, on appelle axe de la turbomachine, l'axe de symétrie radiale de la 25 turbomachine. La direction axiale correspond à la direction de l'axe de la turbomachine, la direction longitudinale correspond à une direction parallèle à l'axe de rotation X-X' de la turbomachine et la direction radiale correspond à une direction orthogonale à l'axe de rotation et de symétrie radiale de la turbomachine. De même, un plan axial est un plan contenant 30 l'axe de la turbomachine et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet axe. Sauf précision contraire, les adjectifs et adverbes axial, radial, axialement et radialement sont utilisés en référence aux directions axiale et radiale précitées. Enfin, sauf précision contraire, les adjectifs interne et externe sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la 35 partie ou la face interne (i.e. radialement interne) d'un élément est plus proche de l'axe de la turbomachine que la partie ou la face externe (i.e. radialement externe) du même élément. La figure 1 représente de façon schématique la partie avant ou amont d'une turbomachine qui comporte une roue directrice d'entrée 10 disposée en aval d'un cône d'entrée 12, à l'entrée d'un compresseur 14 dont une seule rangée d'aubes mobiles 16 est représentée. La roue directrice d'entrée 10 comprend une série d'aubes 18 sensiblement radiales qui sont réparties régulièrement autour de l'axe longitudinal X-X' de la turbomachine et sont entourées extérieurement par un carter cylindrique d'entrée 20. Chaque aube 18 de la roue 10 comprend une partie amont fixe et immobile, appelée bras fixe 22 et une partie aval, appelée volet mobile 24, qui est déplaçable en pivotement par rapport au bras fixe 22, à sensiblement parallèle à la direction longitudinale de l'aube 18. L'orientation des volets mobiles 24 des aubes 18 permet de modifier et de réguler le flux d'air 26 alimentant les étages du compresseur 14 en fonction du régime de fonctionnement de la turbomachine. Le bras fixe de chaque aube 18 est relié rigidement par son extrémité radialement externe au carter d'entrée 20 et par son extrémité radialement interne à un moyeu central 27. Classiquement, le bras fixe 22 est creux et délimite une cavité interne de circulation d'air chaud. Il peut être formé à partir de tôles fixées entre elles par brasage ou rivetage. Le bras fixe 22 définit, en amont (à gauche sur les figures), le bord d'attaque 28 et, en aval (à droite sur les figures), une gorge radiale 29 ouverte en direction de l'aval, ainsi qu'une portion amont de l'intrados 30 et de l'extrados 32.

Le volet mobile 24 s'étend entre la portion aval de l'intrados 30 et de l'extrados 32 depuis une extrémité amont 34 apte à coopérer avec la gorge radiale 29 jusqu'à une extrémité aval formant le bord de fuite 36. Le volet mobile 24 de chaque aube 18 est monté pivotant autour de l'axe de pivotement 25, à son extrémité amont 34 par l'intermédiaire d'un pivot radialement interne 40 monté dans le moyeu l'emplacement de son extrémité amont, autour d'un axe 25 orienté globalement de façon radiale dans la turbomachine et qui est central 27 et d'un pivot radialement externe 42 monté dans une cheminée cylindrique 43 du carter d'entrée 20. De façon connue, les extrémités radialement externes des pivots radialement externes 42 de chaque volet mobile 24 sont reliées par des biellettes 44 à un anneau de commande 46 qui s'étend autour du carter d'entrée 20 et qui est lui-même associé à des moyens d'actionnement (non représentés) permettant de le faire tourner dans un sens ou l'autre autour de l'axe longitudinal X-X' de la turbomachine pour entraîner les volets mobiles 22 des aubes 18 autour de leurs pivots 40, 42.

Dans l'exemple représenté, l'axe de pivotement 25 des volets mobiles 24 est légèrement incliné par rapport à la direction radiale de la turbomachine. Chaque volet mobile 24 est déplaçable autour de l'axe de pivotement 25 entre une position A (en traits pleins sur la figure 2) ou position ouverte dans laquelle il est sensiblement aligné avec le bras fixe 22 et une position B d'inclinaison maximale (en traits en pointillés sur la figure 2) ou position fermée dans laquelle le volet mobile 24 est écarté angulairement de la position A et forme avec le plan médian radial 44 du bras fixe 22 un angle de l'ordre de 45° à 70°, et généralement de l'ordre de 50°, du côté de l'intrados 30 de l'aube 18. Dans le cas de figure représenté, l'axe de pivotement 25 est écarté du plan médian radial 48 avec un décalage du côté de l'intrados 30 de l'aube 18, et ce pour permettre d'augmenter facilement l'angle d'inclinaison maximale du volet mobile 24.

On peut bien entendu envisager le cas (non représenté) où l'axe de pivotement passe par le plan médian radial 48. Dans le régime de fonctionnement dit « proche ralenti » de la turbomachine, en position de fermeture on rencontre le phénomène de décollement qui est représenté sur la figure 3.

Dans ce cas, le flux d'air 26 qui arrive en amont de la rangée d'aubes 18 aborde la partie aval de l'extrados 32 le long du volet mobile 24, avec un décollement de la couche limite à l'emplacement 49 qui jouxte cette partie aval de l'extrados 32 le long du volet mobile 24, le flux d'air 26a longeant alors cette partie aval de l'extrados 32 à l'écart du volet mobile 24, ce qui conduit à des pertes de performance du compresseur 14.

Afin de surmonter ce problème, comme illustré sur la figure 4, l'aube 18 est équipée d'un dispositif 50 apte à former sur l'extrados 32, dans la position fermée du volet, au moins un élément générateur de vortex 52 afin de permettre la prévention du décollement.

Le principe de l'invention est de faire en sorte qu'il existe, au moins dans la position fermée du volet mobile 22, et dans la partie aval de l'extrados 32 située le long du volet mobile 24, un ou plusieurs éléments générateurs de vortex 52 faisant saillie de l'extrados 32 et ceci pour créer une perturbation du flux d'air permettant d'éviter le décollement de la couche limite. Ainsi, on obtient un flux d'air 26b longeant alors cette partie aval de l'extrados 32 et formant une couche limite qui reste contre le volet mobile 24. Un tel élément générateur de vortex 52 s'étend de préférence de façon relativement limitée le long de la direction longitudinale de l'aube 18 et peut revêtir de multiples formes : lamelles ou ailettes d'épaisseur constante ou non, présentant toute sorte d'inclinaison et un contour de forme rectangulaire, triangulaire ou autre, ces élément générateur de vortex 52 pouvant être présents par série, de deux ou de davantage d'éléments placés côte à côte le long de la direction longitudinale de l'aube 18. On peut également envisager le cas d'un unique élément générateur de vortex 52 par aube 18, s'étendant sur une portion significative, voire la majeure partie de la longueur de l'aube 18, voire toute la longueur de l'aube 18.

A titre d'exemple, sur la figure 4, les éléments générateurs de vortex 52 ont la forme d'un déflecteur en équerre avec une première branche 52a disposée sensiblement à angle droit de l'extrados 32 et prolongée par une deuxième branche 52b à angle droit de la première branche 52a et s'étendant sensiblement parallèlement au volet mobile 24, en direction du bord de fuite 36. Selon un mode de réalisation visible sur les figures 5 à 8, le dispositif 50 comporte au moins un élément générateur de vortex 52 et le dispositif 50 est apte à passer d'une première position dans laquelle cet élément générateur de vortex 52 reste inscrit dans la section transversale de l'aube 18, tandis que le volet mobile 24 est dans ladite position ouverte A (figures 5 et 7), à une deuxième position dans laquelle ledit élément générateur de vortex 52 fait saillie de ladite section transversale de l'aube 18 du côté de l'extrados 32, tandis que le volet mobile 24 est dans ladite position fermée B (figures 6 et 8). On entend par section transversale de l'aube 18, l'intersection entre l'aube 18 et un plan transversal orthogonal à l'axe radial qui est lui-même parallèle à la direction longitudinale de l'aube 18. Ainsi, un tel agencement permet le passage du dispositif 50 et des éléments générateurs de vortex 52 entre une position escamotée ou rentrée dans la position ouverte du volet mobile 24 (Figures 5 et 7) à une position dépliée/sortie dans la position fermée du volet mobile 24 (Figures 6 et 8). Plus précisément, dans ladite deuxième position, ledit élément générateur de vortex 52 fait saillie de ladite section transversale de l'aube 18 soit sur l'extrados 32 de la partie aval du bras fixe 22 soit sur l'extrados 32 de la partie amont du volet mobile 24. C'est grâce à cette configuration en saillie, à savoir la présence d'une portion de matière venant dépasser de l'extrados 32, que l'on réalise par cette perturbation du flux aérodynamique, un moyen d'empêcher le décollement de la couche limite.

A titre d'exemple de réalisation des éléments générateurs de vortex, ledit dispositif 50 comporte une série d'ailettes 54 dont l'extrémité libre est apte à constituer lesdits éléments générateurs de vortex 52, lesdites ailettes 54 étant disposées le long de la direction longitudinale de l'aube 18 en s'étendant entre l'extrémité aval du bras fixe 22 et l'extrémité amont du volet mobile 24, lesdites ailettes 54 étant inclinées par rapport au bras fixe 22 dans ladite deuxième position. Selon une première variante de réalisation illustrée sur les figures 5, 6 et 9, lesdites ailettes 54 sont solidaires de l'extrémité aval du bras fixe 22 et s'engagent chacune avec un passage 56 formé dans l'extrémité amont du volet mobile 24, et ce afin de faire saillie de ladite section transversale de l'aube 18 du côté de l'extrados 32 dans ladite deuxième position visible sur la figure 6. En effet, ces ailettes 54 forment alors des bras prolongeant l'extrémité aval du bras fixe 22 en étant logées dans le passage 56, sans faire saillie du contour de l'aube 18, dans la ladite position ouverte A de l'aube 18 correspondant à la première position du dispositif 50 (figure 5) tandis que dans la deuxième position du dispositif 50 visible sur la figure 6 et correspondant à la position B de l'aube 18, l'extrémité libre de l'ailette 54 ressort du contour de l'aube 18. Selon une deuxième variante de réalisation illustrée sur les figures 7 et 8, lesdites ailettes 54 sont solidaires de l'extrémité amont du volet mobile 24 et s'engagent chacune avec un passage 56 formé dans l'extrémité aval du bras fixe 22, et ce afin de faire saillie de ladite section transversale de l'aube 18 du côté de l'extrados 32 dans ladite deuxième position.

Dans ce cas, les ailettes 54 forment alors des bras prolongeant l'extrémité amont du bras mobile 24 en étant logées dans le passage 56, sans faire saillie du contour de l'aube 18, dans ladite position ouverte A de l'aube 18 correspondant à la première position du dispositif 50 (figurez) tandis que dans la deuxième position du dispositif 50 visible sur la figure 8 et correspondant à la position B de l'aube 18, l'extrémité libre de l'ailette 54 ressort du contour de l'aube 18 De préférence, comme illustré sur les figures 5 à 8, lesdites ailettes 54 sont recourbées en direction de l'extrados. Une telle configuration, selon laquelle l'extrémité libre des ailettes 54 est crochue ou courbée, permet d'obtenir des éléments générateurs de vortex 52 qui peuvent soit déclencher une transition de l'écoulement en mode turbulent si l'écoulement amont est laminaire, soit apporter de l'énergie aux couches limites par brassage de l'écoulement déjà turbulent. Les deux effets mènent à une meilleure tenue des couches limites, notamment en cas de forte déviation imposée au fluide. Alternativement, selon un cas de figure non représenté, on peut envisager de mettre en oeuvre l'invention avec des ailettes sensiblement rectilignes, et ceci en fonction de la position et l'orientation de ces ailettes par rapport à l'aube 18.

Par ailleurs sur les variantes de réalisation illustrées sur les figures 5 à 8, l'axe de rotation 25 du volet mobile 24 est situé en dehors du plan médian radial 48 du bras fixe 22. Alternativement, selon un cas de figure non représenté, on peut envisager une situation dans laquelle l'axe de rotation 25 du volet mobile 24 est parallèle et inscrit dans le plan médian radial 48 du bras fixe 22. Également, sur les variantes de réalisation illustrées sur les figures 5 à 8, l'agencement des ailettes 54 est prévu de sorte qu'elles ne croisent pas l'axe de rotation 25 entre le volet mobile 24 et le bras fixe 22. Alternativement, selon un cas de figure non représenté, il est possible que les ailettes croisent cet axe de rotation 25 : à cet effet, l'axe matériel correspondant est soit en plusieurs morceaux discontinus, soit équipé d'échancrures aptes à permettre le passage des ailettes 54. De préférence, ledit dispositif est activé par le même dispositif de commande que la rotation entre le volet mobile et le bras fixe.

Dans les deux variantes de réalisation décrites précédemment, le dispositif 50 comportant des éléments générateurs de vortex 52 qui sont solidaires de l'un ou l'autre parmi le volet mobile et le bras fixe, l'activation des moyens d'actionnement décrits précédemment pour l'entraînement en rotation des volets mobiles 22 des aubes 18 autour de leurs pivots 40, 42, va de facto réaliser la commande du dispositif 50 comportant les éléments générateurs de vortex 52. On se rapportera à la figure 9 sur laquelle on voit les passages 56 prévus dans le volet mobile 24 pour permettre le passage de l'extrémité libre des ailettes 54 qui forment les éléments générateurs de vortex 52. Selon une première possibilité, lesdites ailettes 54 sont disposées régulièrement le long de la direction longitudinale de l'aube 18. Selon une autre possibilité visible sur la figure 9, la concentration d'ailettes 54 est plus importante dans les deux portions d'extrémité de l'aube (en haut et en bas sur la figure 9). De cette façon, on obtient un effet renforcé à proximité des parois du carter 20 et du moyeu central dans lequel est monté le pivot radialement interne 40.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Aube (18) à angle de calage variable comportant un bras fixe (22) amont et un volet mobile (24) aval pivotant à son extrémité amont autour d'un axe de rotation (25) parallèle à la direction longitudinale de l'aube (18), ledit volet étant déplaçable entre une position ouverte dans laquelle il est sensiblement aligné au bras fixe (22) et une position fermée dans laquelle il est incliné par rapport au bras fixe (22), caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un dispositif (50) apte à former sur l'extrados (32), dans la position fermée du volet, au moins un élément générateur de vortex (52) afin de permettre la prévention du décollement.
2. 2. Aube (18) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit dispositif (50) comporte au moins un élément générateur de vortex (52), en ce que ledit dispositif (50) est apte à passer d'une première position dans laquelle il reste inscrit dans la section transversale de l'aube (18), tandis que le volet mobile (24) est dans ladite position ouverte, à une deuxième position dans laquelle ledit élément générateur de vortex (52) fait saillie de ladite section transversale de l'aube (18) du côté de l'extrados (32), tandis que le volet mobile (24) est dans ladite position fermée.
3. 3. Aube (18) selon la revendication 2, caractérisée en ce que dans ladite deuxième position, ledit élément générateur de vortex (52) fait saillie de ladite section transversale de l'aube (18) soit sur l'extrados (32) de la partie aval du bras fixe (22) soit sur l'extrados (32) de la partie amont du volet mobile (24).
4. 4. Aube (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit dispositif (50) est activé par le même dispositif (50) de commande que la rotation entre le volet mobile (24) et le bras fixe (22).
5. 5. Aube (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit dispositif (50) comporte une série d'ailettes (54) dont l'extrémité libre est apte à constituer lesdits éléments générateurs de vortex (52), lesdites ailettes (54) étant disposéesle long de la direction longitudinale de l'aube (18) en s'étendant entre l'extrémité aval du bras fixe (22) et l'extrémité amont du volet mobile (24), lesdites ailettes (54) étant inclinées par rapport au bras fixe (22) dans ladite deuxième position.
6. 6. Aube (18) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que lesdites ailettes (54) sont solidaires de l'extrémité aval du bras fixe (22) et s'engagent chacune avec un passage (56) formé dans l'extrémité amont du volet mobile (24), et ce afin de faire saillie de ladite section transversale de l'aube (18) du côté de l'extrados (32) dans ladite deuxième position.
7. 7. Aube (18) selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdites ailettes (54) sont solidaires de l'extrémité amont du volet mobile (24) et s'engagent chacune avec un passage (56) formé dans l'extrémité aval du bras fixe (22), et ce afin de faire saillie de ladite section transversale de l'aube (18) du côté de l'extrados (32) dans ladite deuxième position.
8. 8. Aube (18) selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que lesdites ailettes (54) sont recourbées en direction de l'extrados (32).
9. 9. Aube (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'axe de rotation (25) du volet mobile (24) est situé en dehors du plan médian radial (48) du bras fixe (22).
10. 10. Aube (18) selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que la concentration d'ailettes (54) est plus importante dans les deux portions d'extrémité de l'aube (18).
11. 11. Roue (10) directrice d'entrée de turbomachine comportant une pluralité d'aubes (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, lesdites aubes (18) étant régulièrement réparties autour de l'axe central de la roue (10).
12. 12. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend une roue directrice (10) selon la revendication précédente.