FR2988146A1 - Carter pour roue a aubes de turbomachine ameliore et turbomachine equipee dudit carter - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un carter (10) pour roue à aubes (20) de turbomachine (1) comprenant un revêtement interne (11) en un matériau abradable, ainsi qu'une pluralité de fentes (12) circonférentielles agencées dans ledit revêtement (11) de matériau abradable, ledit carter comportant en outre une cavité (13) circonférentielle aménagée dans le revêtement (11) de matériau abradable, dans laquelle débouchent les fentes (12), lesdites fentes (12) débouchant dans ladite cavité (13) et s'étendant entre ladite cavité (13) et la surface interne (15) du carter (10). L'invention concerne également une turbomachine comprenant un tel carter et une roue à aubes.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine des turbomachines assurant la propulsion d'engins aéronautiques. Plus particulièrement, elle concerne des carters pour roue à aubes de telles turbomachines. ETAT DE LA TECHNIQUE La propulsion des avions de transport civil doit respecter deux conditions parfois contradictoires : - D'une part, fournir de bonnes performances aérodynamiques en croisière, - D'autre part, respecter des normes de certification acoustique de plus en plus sévères en phases de décollage et d'atterrissage. Cette dernière condition implique de trouver des solutions pour réduire le bruit généré par un avion au décollage et à l'atterrissage. Or, une composante importante du bruit total généré par une turbomachine d'un avion provient de l'existence de tourbillons apparaissant dans la soufflante de la turbomachine. Ces tourbillons proviennent d'un jeu entre le carter de soufflante et les extrémités radialement externes des aubes de la soufflante, qui rend le flux d'air turbulent à cet endroit. En conséquence, on cherche à développer des turbomachines dont le carter et la soufflante, comprenant une roue à aubes, sont conçus pour minimiser le bruit généré par la soufflante, particulièrement au cours des phases de décollage et d'atterrissage, et ce sans diminution des performances aérodynamiques en croisière. A cet égard, on a développé des carters dont la surface interne, située en regard des aubes mobiles, est modifiée afin de diminuer la turbulence de l'écoulement et donc le bruit résultant de cette turbulence. Des modifications de la surface du carter, visant à réduire le bruit d'interaction des pales d'une soufflante avec le carter, ont par exemple été proposées dans les documents FR2929349 et FR2940374.
Dans FR2940374, on a proposé un carter de roue à aubes, dans lequel sont ménagées des cavités placées en regard des aubes. Le dimensionnement et la disposition des cavités par rapport aux aubes sont particulièrement adaptés, dans ce document, pour fournir des performances aérodynamiques améliorées, et un bruit réduit.
Dans FR2929349, on a proposé un carter de roue à aubes comprenant, sur sa surface interne, une pluralité de rainures circonférentielles (rainures symétriques de révolution autour de l'axe du carter). En outre, la surface de la section de ces rainures est décroissante de la première rainure, située en amont du carter, vers la dernière rainure, située relativement plus en aval. Les modifications de la surface interne du carter par aménagement de rainures dans ladite surface interne ont ainsi déjà prouvé leur utilité. Néanmoins, on a constaté par des études numériques de simulation de flux dans ces rainures que celles-ci, en étant toutes indépendantes les unes par rapport aux autres, ne contribuent pas toutes de la même manière au gain aérodynamique obtenu. En particulier, les rainures situées les plus en aval du carter ne permettent que des gains aérodynamiques faibles par rapport à celles situées en amont. Par exemple, on a constaté que sur un carter comprenant quatre rainures consécutives, le gain aérodynamique constaté est sensiblement égal au gain obtenu sur un carter comprenant seulement trois rainures consécutives. Il existe donc un besoin d'améliorer encore le gain aérodynamique d'une modification de surface de carter, ou traitement de carter, d'augmenter les performances acoustiques de la soufflante, et d'augmenter la contribution au gain aérodynamique des fentes situées en aval.
PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux problèmes décrits ci-avant, en proposant un carter de roue à aubes présentant des performances aérodynamiques améliorées par rapport à l'art antérieur.
A cet effet, l'invention a pour objet un carter pour roue à aubes de turbomachine comprenant un revêtement interne en un matériau abradable, ainsi qu'une pluralité de fentes circonférentielles agencées dans ledit revêtement, ledit carter comportant en outre une cavité circonférentielle aménagée dans le revêtement de matériau abradable, lesdites fentes débouchant dans ladite cavité et s'étendant entre ladite cavité et la surface interne du carter. Avantageusement, mais facultativement, l'invention peut en outre comprendre au moins l'une des caractéristiques suivantes : - le revêtement de matériau abradable ayant une épaisseur comprise entre 20 et 25 mm, la cavité présente dans cette épaisseur, une hauteur comprise entre 5 et 10 mm. - la cavité s'étend dans le revêtement de matériau abradable en étant décalée vers l'amont par rapport à la fente située le plus en amont sur ledit carter. - le nombre de fentes est compris entre 4 et 8. - chaque fente présente, dans l'épaisseur du revêtement de matériau abradable, une hauteur comprise entre 10 et 15 mm. - chaque fente présente une largeur comprise entre 2 et 6 mm. - l'espacement entre deux fentes consécutives est compris entre 0.5 et 3 mm. - les fentes s'étendent chacune dans un plan formant un angle avec l'axe de carter compris entre 70 et 110°. L'invention a également pour objet une turbomachine, comprenant une roue à aubes et un carter de roue à aubes selon l'une des revendications précédentes. Avantageusement, mais facultativement, la turbomachine selon l'invention peut en outre comprendre au moins l'une des caractéristiques suivantes : - la cavité du carter est située en regard de l'extrémité radialement externe des aubes de la roue en étant décalée vers l'amont par rapport au bord d'attaque des aubes d'une distance comprise entre 2 et 10 mm. - la fente située la plus en amont dans le carter est décalée vers l'amont par rapport au bord d'attaque des aubes d'une distance comprise entre 1,5 et 3,5 mm.
DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 est une coupe axiale d'une turbomachine comprenant une roue à aube mobile et un carter selon l'invention. - La figure 2 représente les lignes de courant au sein d'une cavité aménagée dans un carter de turbomachine.
DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION On a représenté en figure 1 un carter 10 de roue à aubes 20 de turbomachine 1. La roue à aubes 20, située à l'intérieur du carter 10, est la soufflante de la turbomachine. Elle comprend une pluralité d'aubes 21, montées rotatives autour d'un axe X-X de rotation de la soufflante. Chaque aube 21 présente un bord d'attaque 22, un bord de fuite 23, et, une extrémité 24 radialement externe, en regard de la surface interne 15 du carter. Cette extrémité 24 est donc amenée à se déplacer à grande vitesse au voisinage de la surface interne 15 du carter fixe 10, occasionnant un flux d'air turbulent à cet endroit, ledit flux d'air turbulent étant à l'origine de nuisances sonores. La direction générale du flux d'air dans la turbomachine 1 est représentée par la flèche F, qui est sensiblement parallèle à l'axe X-X de rotation de la soufflante 20, et se dirige depuis le bord d'attaque vers le bord de fuite de chaque aube. Dans la suite, l'amont et l'aval sont utilisés pour localiser des éléments du carter, et sont pris par rapport à la direction du flux d'air. Le carter 10, monté fixe autour de la roue à aubes 20, est une pièce de révolution autour d'un axe de carter qui est confondu avec l'axe X-X de rotation de la roue à aubes 20. L'axe de rotation X-X est dans la suite également appelé axe du 20 carter. Le carter 10 comprend un revêtement interne 11 en un matériau abradable, la surface du revêtement définissant la surface interne 15 du carter 10. Ce revêtement présente une épaisseur hl, mesurée radialement par rapport à l'axe de rotation X-X, comprise entre 20 et 25 mm. 25 Dans le revêtement 11 en matériau abradable, et en regard de l'extrémité radialement externe 24 des aubes 21, sont aménagées une pluralité de fentes 12. Ces fentes 12 sont circonférentielles, c'est-à-dire qu'elles sont de section circulaire dans un plan orthogonal P à l'axe X-X du carter, et font le tour du carter dans ce plan. 30 Dans le revêtement 11 en matériau abradable, est également aménagée une cavité 13 circonférentielle, circulaire autour des fentes 12, de sorte que les fentes 12 s'étendent entre la cavité 13 et la surface interne 15 du carter 10. La cavité 13 se trouve également en regard de l'extrémité radialement externe 24 des aubes 21.
En outre, les fentes 12 débouchent dans la cavité 13, permettant ainsi à une partie du flux d'air F de pénétrer à l'intérieur de la cavité 13 par certaines fentes, et d'en ressort dans d'autres fentes. Avantageusement, toutes les fentes 12 débouchent dans la cavité 13.
Les intervalles 14 entre les fentes 12 sont formés du même matériau 11 que le revêtement en matériau abradable 11. Ils peuvent être reliés entre eux et audit revêtement 11 par des pontets (non représentés dans les figures) pour assurer le maintien de l'ensemble.
On a représenté en figure 2 les lignes de courant du flux d'air au niveau de la cavité 13. Ces lignes de courant mettent en évidence le rôle des fentes situées en amont dans le carter, par rapport au flux d'air, qui prélèvent les tourbillons liés au jeu entre les aubes 21 et le carter 10, ainsi que la couche limite du flux, ces deux éléments étant nocifs au point de vue aérodynamique.
Les lignes de courant montrent par ailleurs que les fentes situées en aval du carter 10 par rapport au flux d'air servent à remettre en circulation le flux d'air de manière moins turbulente au sein de l'écoulement dans la soufflante 20. Ainsi, la cavité 13 permet d'augmenter le gain aérodynamique de chaque fente, particulièrement en conférant aux fentes les plus en aval un rôle spécifique, celui de la réinjection de l'écoulement dans le flux de la soufflante. Ce gain aérodynamique s'accompagne d'une réduction du bruit généré par l'écoulement turbulent. De retour à la figure 1, les paramètres des fentes 12 et de la cavité 13 ont été adaptés pour une optimisation du gain aérodynamique. La cavité 13 présente, dans l'épaisseur du revêtement 11 en matériau abradable, une hauteur h2, mesurée radialement par rapport à l'axe X-X. Les fentes 12, quant à elles, présentent, dans l'épaisseur du revêtement 11 en matériau abradable, une hauteur h3, mesurée radialement par rapport à l'axe X- X. Pour que les fentes et la cavité soient aménagées dans le revêtement en matériau abradable 11, leur hauteur cumulée h2+h3 doit être inférieure à l'épaisseur hl dudit revêtement 11. Pour un revêtement d'une épaisseur comprise entre 20 et 25 mm, la hauteur cumulée des fentes et de la cavité doit être inférieure ou égale à 15 à 20 mm. De préférence, la hauteur h2 de la cavité 13 est comprise entre 5 et 10 mm. Une cavité dont le volume est élevé permet un prélèvement de tourbillons plus important mais dégrade la remise en circulation du flux dans la soufflante 20. Par conséquent, il faut trouver un compromis sur le volume de la cavité, et donc sur sa hauteur. Avantageusement, ce compromis est atteint pour une hauteur h2 de l'ordre de 6 mm. D'autre part, la hauteur h3 des fentes 12 est de préférence comprise entre 10 et 15 mm, et de préférence de l'ordre de 12 mm. En outre, comme visible sur la figure 1, la cavité 13 est décalée vers l'amont par rapport à la première fente 12, qui est située la plus en amont dans le carter 10. En effet, la cavité 13 ne doit pas être affleurante à la fente 12 la plus en amont, l'extrémité amont de la cavité ne doit pas se trouver à l'aplomb de cette fente 12, car dans ce cas les lignes de courant de cette fente bifurqueraient de manière abrupte dans la cavité, engendrant une circulation chaotique au sein de cette cavité. De préférence, la cavité 13 présente un décalage d compris entre 2 et 5 mm, par rapport à l'extrémité amont de la première fente 12.
La cavité 13 peut en outre présenter un décalage d' par rapport à la dernière fente 12, qui est la fente située la plus en aval dans le carter 10. Concernant le nombre de fentes 12, celui-ci est avantageusement compris entre 4 et 8, et plus avantageusement égal à 6.
En effet, un nombre élevé de fentes (typiquement supérieur à 4) permet une augmentation du prélèvement des tourbillons, puis une meilleure réinjection de l'écoulement prélevé au sein du flux d'air dans la soufflante 20. En revanche, un nombre de fentes excédant 8 occasionne un phénomène de surpression lors de la réinjection de l'écoulement dans la soufflante, ce qui dégrade les performances aérodynamiques. Le nombre de fentes compris entre 4 et 8, et avantageusement égal à 6, correspond donc à un compromis optimal entre ces deux phénomènes.
De retour à la figure 1, on a représenté par une double flèche I la largeur d'une fente 12. La largeur I est avantageusement la même pour toutes les fentes 12, et est comprise entre 2 et 6 mm. Par exemple, cette largeur I est égale à 3.5 mm. Sur la figure 1 on a en outre représenté par une double flèche E la largeur 5 d'un intervalle 14, i.e. l'espacement entre deux fentes consécutives. Cet espacement est de préférence constant pour tous les intervalles 14, et compris entre 0.5 mm et 3 mm. Avantageusement, l'espacement peut être égal à 1.5 mm. En outre, les fentes 12 s'étendent de préférence, mais non limitativement, dans un plan formant un angle compris entre 70° et 110° par rapport à l'axe du 10 carter. Avantageusement, les fentes s'étendent dans un plan orthogonal audit axe. On a représenté en figure 1 le plan P orthogonal à l'axe du carter et l'angle a formé entre le plan P et l'axe. Les paramètres relatifs aux fentes que sont la hauteur h3, la largeur I, 15 l'espacement E entre deux fentes consécutives, et l'angle a des fentes, sont choisis pour assurer un bon prélèvement des tourbillons dans le flux d'air de la soufflante et une bonne circulation du fluide au sein de la cavité 13. Concernant les positions relatives des fentes 12 et des aubes 21 de la roue 20 à aubes 20, la fente 12 située la plus en amont dans le carter 10 est de préférence décalée vers l'amont par rapport au bord d'attaque 22 des aubes d'une distance q comprise entre 1,5 et 3,5 mm, cette distance étant prise entre le milieu de la fente dans la direction de l'axe X-X et le bord d'attaque 22 de l'aube 21. Ce décalage permet un meilleur prélèvement des tourbillons générés par l'extrémité 24 de l'aube 25 21. Enfin, comme on a indiqué que la cavité 13 est décalée vers l'amont par rapport à la première fente 12, elle se trouve donc décalée vers l'amont par rapport au bord d'attaque 22 de l'aube 21. Le décalage D, représenté en figure 1, entre l'extrémité amont de la cavité dans la direction de l'axe X-X, et le bord d'attaque 22 30 de l'aube 21, est de préférence comprise entre 2 et 10 mm, et avantageusement égale à 6 mm.
La présence de la cavité 13, appelée aussi cavité re-circulante, apporte une amélioration au niveau aérodynamique et acoustique, en diminuant l'intensité turbulente du flux d'air à proximité de la surface interne du carter. Le bruit provenant du jeu et de l'interaction entre le carter et les aubes est diminué, et la contribution de chaque fente pour réduire ce bruit, tant à l'amont qu'à l'aval du carter, est accrue.10

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Carter (10) pour roue à aubes (20) de turbomachine (1) comprenant un revêtement interne (11) en un matériau abradable, ainsi qu'une pluralité de fentes (12) circonférentielles agencées dans ledit revêtement (11) de matériau abradable, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une cavité (13) circonférentielle aménagée dans le revêtement (11) de matériau abradable, dans laquelle débouchent les fentes (12), lesdites fentes (12) débouchant dans ladite cavité (13) et s'étendant entre ladite cavité (13) et la surface interne (15) du carter (10).
  2. 2. Carter (10) selon la revendication précédente, dans lequel le revêtement (11) de matériau abradable ayant une épaisseur (h1) comprise entre 20 et 25 mm, la cavité (13) présente dans cette épaisseur (h1), une hauteur (h2) comprise entre 5 et 10 MM.
  3. 3. Carter (10) selon la revendication 1 dans lequel la cavité (13) s'étend dans le revêtement (11) de matériau abradable en étant décalée vers l'amont par rapport à la fente (12) située le plus en amont sur ledit carter (10).
  4. 4. Carter (10) selon la revendication 1, dans lequel le nombre de fentes (12) est compris entre 4 et 8.
  5. 5. Carter (10) selon la revendication 1, dans lequel chaque fente (12) présente, dans l'épaisseur (h1) du revêtement (11) de matériau abradable, une hauteur (h3) comprise entre 10 et 15 mm.
  6. 6. Carter (10) selon la revendication 1, dans lequel chaque fente (12) présente une largeur (I) comprise entre 2 et 6 mm.
  7. 7. Carter (10) selon la revendication 1, dans lequel l'espacement (C) entre deux fentes (12) consécutives est compris entre 0.5 et 3 mm.
  8. 8. Carter (10) selon la revendication 1, dans lequel les fentes (12) s'étendent chacune dans un plan formant un angle (a) avec l'axe (X-X) de carter (10) compris entre 70 et 110°.
  9. 9. Turbomachine (1), comprenant une roue à aubes (20) et un carter (10) de roue à aubes (20) selon l'une des revendications précédentes.
  10. 10. Turbomachine (1) selon la revendication 9, dans lequel la cavité (13) du carter (10) est située en regard de l'extrémité (24) radialement externe des aubes (21) de la roue (20) en étant décalée vers l'amont par rapport au bord d'attaque (22) des aubes (21) d'une distance (D) comprise entre 2 et 10 mm.
  11. 11. Turbomachine (1) selon la revendication 9, dans lequel la fente (12) située la plus en amont dans le carter (10) est décalée vers l'amont par rapport au bord d'attaque (22) des aubes (21) d'une distance (q) comprise entre 1,5 et 3,5 mm.20
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