FR2960923A1 - Controle de la poussee axiale par guidage de l'air preleve sur un compresseur centrifuge - Google Patents

Abstract

Carter interne de chambre de combustion d'une turbomachine destinée à être placée en aval d'un compresseur centrifuge de façon à former avec la face aval dudit compresseur centrifuge un canal de guidage de l'air prélevé sur ledit compresseur, ledit carter ayant la forme d'un disque (9), percé d'un rond central (12), faisant face à ladite face aval, caractérisé en ce qu'il comporte sur son disque (9) au moins un redresseur (10) de l'air prélevé se déployant à partir du disque (9) en direction de ladite face aval.

Description

Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et, plus particulièrement, celui du calibrage de la poussée s'exerçant sur les roulements de ces turbomachines. Une turbomachine est constituée par de nombreuses pièces ayant pour la plupart des extensions transversales par rapport à son axe de rotation, sur lesquelles s'exercent des forces axiales générées par les pressions de l'air dans lesquelles elles baignent. Les multiples cavités d'air sous pression existantes créent ainsi des efforts sur les pièces tournantes (rotors) et sur les pièces fixes (stators) qui s'ajoutent aux efforts aérodynamiques exercés sur les aubages.

Alors que les efforts subis par les stators sont contenus par les différents carters, ceux vus par les rotors s'ajoutent et leur résultante est reprise par le roulement de butée qui maintient l'arbre de rotation correspondant. Il est nécessaire de contrôler, pour tous les régimes, le niveau des efforts appliqués au roulement, afin de s'assurer que ces efforts ne sont ni trop forts, auquel cas on risquerait une détérioration du roulement, ni trop faibles auquel cas on risquerait des pertes d'appui et de possibles phénomènes vibratoires selon la direction axiale. D'une façon générale, pour des raisons de contrôle du jeu axial du compresseur, on s'arrange pour que la poussée résultante qui s'exerce sur l'arbre soit désirée vers l'avant.

Dans le cas d'une turbomachine comprenant un compresseur centrifuge, la face aval du compresseur constitue un disque s'étendant transversalement sur toute la section du moteur, et elle peut être le siège d'efforts importants, en fonction de la pression qui s'exerce sur elle. La pression qui s'exerce dans la cavité située en aval de cette face constitue un élément fondamental pour la maîtrise de la poussée qui s'exerce sur le roulement de butée ; il importe donc qu'elle soit parfaitement maîtrisée. Comme on peut le voir sur la figure 1 où elle est représentée en traits pointillés, une partie du flux d'air issu du compresseur centrifuge est prélevée pour alimenter ou pressuriser des cavités associées à la turbine du moteur. Cet air se dirige en premier lieu vers l'axe du moteur en longeant la face aval du compresseur centrifuge, avant de s'orienter longitudinalement, et sa pression détermine l'effort résultant dirigé vers l'avant qu'il convient de gérer. Du fait de la rotation du rouet du compresseur centrifuge cet air est animé d'un mouvement de rotation et sa vitesse comporte une composante tangentielle non négligeable, par comparaison avec sa composante centripète. Cette vitesse tangentielle est classiquement exprimée par un coefficient Ke, dit coefficient d'entraînement, qui est égal au rapport entre la vitesse tangentielle de l'air prélevé et la vitesse linéaire du rouet au point considéré. Ce coefficient a donc une valeur variable en fonction de la distance radiale au point considéré, et celle-ci décroit généralement de l'extérieur vers la partie centrale de la face aval du rouet, du fait d'un redressement naturel du flux vers une direction plus centripète. La présence d'une composante tangentielle pour la vitesse du fluide, qui n'a pas d'intérêt pratique, a pour inconvénient de diminuer sa pression statique et ainsi d'amoindrir l'effort appliqué sur la face aval du compresseur centrifuge. La conséquence en est une résultante de poussée axiale orientée potentiellement vers l'arrière, ou à tout le moins orientée vers l'amont mais avec un appui insuffisant, ce qui est contraire au but recherché pour respecter les spécifications de dimensionnement de la turbomachine. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif simple permettant de gérer la pression qui s'applique sur le roulement de butée d'un arbre porteur d'un compresseur centrifuge, notamment par le contrôle de la circulation de l'air prélevé en aval de ce compresseur centrifuge. A cet effet, l'invention a pour objet un carter interne de chambre de combustion d'une turbomachine destinée à être placée en aval d'un compresseur centrifuge de façon à former avec la face aval dudit compresseur centrifuge un canal de guidage de l'air prélevé sur ledit compresseur, ledit carter ayant la forme d'un disque, percé d'un rond central, faisant face à ladite face aval. Il est caractérisé en ce qu'il comporte sur son disque au moins un redresseur de l'air prélevé, se déployant à partir du disque en direction de ladite face aval. Le redressement de l'air réduit la composante tangentielle de l'air et donc sa vitesse totale, ce qui se traduit par une remontée de sa pression statique.

L'augmentation de la pression dans la cavité située en aval de la face aval du compresseur centrifuge contribue à augmenter la force de poussée, dirigée vers l'amont, qui s'exerce sur elle. De façon préférentielle le disque comprend une pluralité de redresseurs positionnés régulièrement sur sa périphérie et formant avec la face aval du 30 compresseur centrifuge des conduits de guidage pour l'air prélevé Avantageusement le redresseur s'étend longitudinalement sur ledit disque selon une direction s'éloignant de sa périphérie pour se rapprocher de son rond central. L'air entrant dans le conduit de prélèvement d'air a généralement une direction essentiellement tangentielle, du fait de la rotation du rouet du 35 compresseur centrifuge. La présence d'un redresseur orienté de la périphérie vers le rond central l'oblige à se prendre une direction plus radiale, ce qui réduit sa composante de vitesse tangentielle et augmente corrélativement sa pression statique.

Dans un mode de réalisation le redresseur s'étend longitudinalement de la périphérie du disque jusqu'au rond central. Avantageusement le redresseur comporte sur sa longueur, au moins un segment orienté radialement.

De façon préférentielle le redresseur est orienté selon une direction radiale sur la majeure partie de sa longueur. On élimine ainsi totalement la composante tangentielle et on augmente la pression sur la face aval du compresseur centrifuge de façon optimale, sans dégrader le débit du flux envoyé en direction de la turbine.

Dans un mode particulier le redresseur débouche au niveau du rond central selon une direction radiale. L'invention porte également sur un module de chambre de combustion d'une turbomachine comportant un carter de chambre tel que décrit ci-dessus. Un module dans une turbomachine est un ensemble de pièces assemblées qui constituent un élément pouvant être livré séparément. L'assemblage de tous les modules permet de constituer une turbomachine. Elle porte enfin sur une turbomachine comportant un carter de chambre tel que décrit ci-dessus.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.

Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en coupe simplifiée du corps haute pression d'une turbomachine comportant un dernier étage de compression réalisé par un compresseur centrifuge ; - la figure 2 est une vue en coupe d'un détail de la figure 1, montrant le cheminement de l'air prélevé en aval du compresseur centrifuge ; - la figure 3 est une vue en coupe du compresseur centrifuge de la figure 1 et du carter de chambre situé en aval, ledit carter étant porteur d'un dispositif de guidage du flux selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue de face du carter de la figure 3, porteur d'un dispositif de guidage coupé selon un plan transversal.

En se référant à la figure 1, on voit, représenté schématiquement, le corps haute pression d'une turbomachine comportant, dans le sens d'écoulement du fluide, un compresseur axial 1 suivi, pour le dernier étage de compression, par un compresseur centrifuge 2. L'air comprimé passe en sortie de ce compresseur, via un redresseur (non représenté), dans une chambre de combustion 3 où il est mélangé à du carburant et brûlé pour produire de la puissance. Les gaz brûlés passent à travers une turbine haute pression 4 qui prélève sur eux de la puissance pour entraîner les compresseurs 1 et 2. L'ensemble des compresseurs et de la turbine est relié mécaniquement par un arbre haute pression 5 qui est maintenu en place dans la turbomachine par l'intermédiaire, entre autres, d'un roulement à billes 6 rattaché à la structure de la turbomachine. Ce roulement 6 forme un moyen de butée à l'arbre 5 et transmet les forces de poussée qui résultent des efforts qui s'exercent sur les différentes pièces du corps haute pression. La figure 1 montre, à l'aide de flèches grisées, les différentes pressions qui s'exercent sur les éléments orientés radialement et, à l'aide d'une flèche non grisée la résultante de poussée supportée par le roulement 6. En aval du compresseur centrifuge 3, on trouve un carter interne de chambre 7 qui forme, avec le carter extérieur 8 du corps HP, une cavité d'alimentation en air pour la chambre de combustion 3. Le carter interne de chambre comporte une partie s'étendant radialement, ayant la forme d'un disque 9 percé d'un rond central 12, qui forme avec la face arrière du compresseur centrifuge une conduite pour la circulation de l'air de refroidissement et de pressurisation envoyée en direction de la turbine 4. Le cheminement de l'air qui circule dans cette conduite est représenté en pointillés sur les figures 1 et 2. En se référant maintenant aux figures 3 et 4 on voit un carter de chambre, selon l'invention, sur lequel sont fixés des redresseurs pour le guidage du flux de cet air de refroidissement. Ces redresseurs 10 ont grossièrement la forme de palettes s'étendant dans l'axe du moteur, perpendiculairement au disque 9 du carter de chambre, de façon à occuper majoritairement l'espace compris entre le disque 9 et la face arrière du compresseur centrifuge 2. Comme on le voit sur la figure 4 ces redresseurs sont disposés régulièrement sur la circonférence du disque 9 et forment une succession de canaux de guidage 11 du flux d'air de refroidissement et de pressurisation. Ces canaux sont constitués, pour leurs parois latérales, par deux redresseurs adjacents et, pour leur fond, par le disque 9, la face arrière du compresseur centrifuge 2 leur servant de couvercle. Ces redresseurs 10 s'étendent radialement entre la périphérie du disque 9 et sa partie centrale, en étant orientés essentiellement selon une direction radiale pour amener le flux d'air vers une direction centripète. Leur forme est dictée par des impératifs aérodynamiques et la nécessité de créer le moins de perte de charges possibles dans cet écoulement. Tels que représentés, sans que cette configuration soit impérative, les redresseurs 9 présentent une direction sensiblement tangentielle au niveau de la périphérie du disque, qui s'infléchit rapidement pour devenir radiale sur la majeure partie de leur longueur. Cette orientation tangentielle est choisie volontairement courte afin de redresser le plus vite possible le flux d'air et éliminer très tôt sa composante tangentielle, pour autant que les conditions aérodynamiques le permettent et ne conduisent pas à la création de décollements ou de tourbillons sur les redresseurs. Ce faisant, la pression statique de l'air devient la plus élevée possible dès son entrée dans le canal de guidage 11. L'orientation des redresseurs au niveau de l'orifice central 12 du disque 9 est préférentiellement radiale pour que le flux d'air ait une direction proche de la direction radiale en sortant des canaux de guidage 11. Cette configuration assure là encore une pression statique maximale à ce flux et donc une force maximale exercée par lui sur la face arrière du compresseur centrifuge 2. La figure 5 donne les résultats obtenus avec cette configuration, en termes de coefficient d'entraînement et en termes de pression statique appliquée, en fonction de la distance radiale du point considéré. L'axe des abscisses donne le rayon du point considéré, entre la périphérie du disque (valeur 1) et le rond central (valeur 0), alors que l'axe des ordonnées donne les valeurs du coefficient Ke et de la pression statique PS rapportées à une valeur de référence pour chacun de ces deux paramètres. La valeur de référence pour la pression statique est prise égale à celle obtenue au niveau du rond central 12 en absence de palettes, alors que celle du coefficient d'entraînement est prise égale à 1.25 fois la valeur de ce coefficient en entrée de la conduite de circulation d'air. Les deux courbes placées en bas de la figure donnent l'évolution du coefficient en fonction du rayon dans les deux cas, "sans palette" c'est-à-dire selon l'art antérieur pour la courbe la plus haute, et "avec palette" c'est-à-dire selon l'invention pour la courbe la plus basse. On constate que, dans l'art antérieur, le coefficient d'entraînement diminue régulièrement de 0.8 à 0.5 en se rapprochant du rond central, ce qui traduit la diminution progressive naturelle de la vitesse tangentielle du flux au fur et à mesure qu'il se rapproche du rond central 12. En revanche, dans l'invention, ce coefficient tombe rapidement vers zéro, du fait de l'orientation radiale des redresseurs qui élimine la composante tangentielle de la vitesse, avant de remonter quelque peu au niveau du rond central 12 lorsque le flux s'approche de la sortie de ceux-ci.

En ce qui concerne l'évolution des pressions statiques, visibles sur les deux courbes du haut, on constate, dans l'art antérieur (courbe la plus basse), une lente diminution en se rapprochant du rond central 12, ce qui est cohérent avec la diminution observée du coefficient d'entraînement, alors que dans l'invention (courbe la plus haute), la pression statique reste à un niveau élevé sur pratiquement toute la hauteur du disque 9. L'évolution de cette courbe est là encore cohérente avec l'évolution observée du coefficient Ke et la réduction associée de la vitesse tangentielle du flux.

Le fonctionnement de l'invention se déduit naturellement des évolutions de pressions décrites par la figure 5. La présence des redresseurs sur le disque 9 élimine la composante tangentielle de la vitesse de circulation de l'air qui traverse les canaux 11. La vitesse de cet air diminuant, sa pression statique augmente, ce qui permet d'accroître l'effort de pression qu'il génère sur la face aval du compresseur centrifuge 2. La forme spéciale donnée à ces redresseurs, avec une orientation rapidement radiale permet d'obtenir une pression élevée dès l'entrée de l'air dans les canaux 11 et donc de maximiser la poussée sur le roulement 6 procurée par la face aval du compresseur 2. L'amélioration apportée par l'invention se mesure à la différence entre les ordonnées des deux courbes du haut de la figure 5.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Carter interne de chambre de combustion d'une turbomachine destinée à être placée en aval d'un compresseur centrifuge (2) de façon à former avec la face aval dudit compresseur centrifuge un canal de guidage pour de l'air prélevé en sortie dudit compresseur, ledit carter ayant la forme d'un disque (9) percé d'un rond central (12), faisant face à ladite face aval, caractérisé en ce qu'il comporte sur son disque (9) au moins un redresseur (10) de l'air prélevé, se déployant à partir du disque (9) en direction de ladite face 10 aval.
2. 2. Carter selon la revendication 1 dans lequel le disque (9) comprend une pluralité de redresseurs (10) positionnés régulièrement sur sa périphérie et formant avec la face aval du compresseur centrifuge (2) des conduits de guidage pour l'air prélevé. 15
3. 3. Carter selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel le redresseur (10) s'étend longitudinalement sur ledit disque (9) selon une direction s'éloignant de sa périphérie pour se rapprocher de son rond central (12).
4. 4. Carter selon la revendication 3 dans lequel le redresseur (10) s'étend longitudinalement de la périphérie du disque (9) jusqu'au rond central (12). 20
5. 5. Carter selon l'une des revendications 3 ou 4 dans lequel le redresseur comporte sur sa longueur, au moins un segment orienté radialement.
6. 6. Carter selon la revendication 5 dans lequel le redresseur (10) est orienté selon une direction radiale sur la majeure partie de sa longueur.
7. 7. Carter selon l'une des revendications 3 à 6 dans lequel ledit 25 redresseur (10) débouche au niveau du rond central (12) selon une direction radiale.
8. 8. Module de chambre de combustion d'une turbomachine comportant un carter de chambre selon l'une des revendications 1 à 7.
9. 9. Turbomachine comportant un carter de chambre selon l'une des 30 revendications 1 à 7.