FR2989415A1

FR2989415A1 - Aube de turbine axiale

Info

Publication number: FR2989415A1
Application number: FR1253340A
Authority: FR
Inventors: Ludovic Pintat; Thomas Mervant
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2013-10-18
Anticipated expiration: 2032-04-12
Also published as: FR2989415B1

Abstract

L'invention concerne le domaine des turbines axiales, et en particulier une aube de turbine axiale dans laquelle tout rapport épaisseur maximale sur corde E /C dans au moins un segment adjacent à un pied ou tête de l'aube est sensiblement supérieur à tout rapport épaisseur maximale sur corde E /C dans un segment intermédiaire non adjacent au pied ou à la tête d'aube.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine des aubes de turbomachine, et plus particulièrement celui des aubes de turbine axiale.

On entend par turbomachine, dans le présent contexte, toute machine dans laquelle peut s'opérer un transfert d'énergie entre un écoulement de fluide et au moins un aubage, comme, par exemple, un compresseur, une pompe, une turbine, ou bien une combinaison d'au moins deux de ceux-ci. Dans la description qui suit, les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal du fluide à travers la turbomachine. Une telle turbomachine peut comprendre plusieurs étages, chaque étage comportant normalement deux aubages, à savoir un aubage mobile et un aubage fixe. Dans une turbine, le transfert d'énergie s'effectue du fluide vers l'aubage mobile. Chaque aubage comporte une pluralité d'aubes décalées les unes des autres en une direction latérale. Typiquement, ces aubes sont arrangées radialement autour d'un axe central A. Ainsi, un tel aubage forme un rotor, quand il s'agit d'un aubage mobile, ou un stator, quand il est un aubage fixe. Dans un aubage axial, l'extrémité proximale de chaque aube par rapport à l'axe central A est normalement dénommée pied d'aube, tandis que l'extrémité distale est normalement dénommée tête d'aube. La distance entre le pied et la tête d'aube est connue comme hauteur d'aube. Entre le pied et la tête d'aube, l'aube peut être définie comme un empilement de profils aérodynamiques perpendiculaires à un axe radial Z. Chaque aube présente un bord d'attaque et un bord de fuite, et un extrados et un intrados s'étendant entre lesdits bords d'attaque et de fuite. Pour chaque profil de l'empilement, la corde est la distance entre le bord d'attaque et le bord de fuite, et l'épaisseur la distance entre l'extrados et l'intrados. Dans chaque aubage, l'extrados de chaque aube fait face à l'intrados d'une aube adjacente, et vice-versa. Comme l'écoulement crée, autour de chaque aube, une surpression à l'intrados par rapport à l'extrados, un gradient de pression est aussi généré dans l'espace entre chaque paire d'aubes adjacentes. En particulier dans les couches limites proches de chaque tête et pied d'aube, où l'écoulement est plus lent, ce gradient de pression a tendance à générer des tourbillons de passage qui contribuent sensiblement à diminuer le rendement de la turbine.

Objet et résumé de l'invention L'invention vise à proposer une aube de turbine axiale qui permette d'empêcher la formation de tourbillons de passage à proximité de la tête et/ou du pied d'aube. Dans au moins un mode de réalisation de l'invention, ce but est atteint grâce au fait que dans au moins un segment adjacent à un pied ou tête de l'aube, tout rapport épaisseur maximale sur corde est sensiblement supérieur à tout rapport épaisseur maximale sur corde dans un segment intermédiaire non adjacent au pied ou à la tête d'aube. Par « sensiblement supérieur » on entend dans ce contexte que la différence entre les deux rapports est mesurable par des moyens de mesure généralement disponibles pour la personne du métier dans le domaine mécanique. Elle peut être, par exemple, d'au moins 5%, 10% ou même 20% du rapport épaisseur maximale sur corde dans le segment intermédiaire. Dans un aubage comprenant une pluralité de ces aubes, cet épaississement des aubes en tête ou pied d'aube rétrécit localement le passage entre aubes adjacentes, accélérant ainsi l'écoulement à proximité de la tête ou du pied d'aube, de manière à empêcher la formation de tourbillons de passage. En particulier, tout rapport épaisseur maximale sur corde dans un segment adjacent au pied d'aube et dans un segment adjacent à la tête d'aube peut être sensiblement supérieur au rapport épaisseur maximale sur corde dans le segment intermédiaire. Ainsi, la formation de tourbillons de passage peut être empêchée tant au pied comme à la tête de chaque aube. Toutefois, il est aussi envisageable de n'épaissir l'aube que sur un segment adjacent à la tête d'aube, ou sur un segment adjacent au pied d'aube.

Pour mieux empêcher la formation de tourbillons de passage, ledit segment adjacent au pied ou à la tête de l'aube peut notamment occuper au moins 10 % de la hauteur d'aube, et de préférence au moins 20 % de la hauteur d'aube.

En particulier, l'intrados de l'aube peut être sensiblement moins cambré sur ledit segment adjacent au pied ou à la tête d'aube que sur ledit segment intermédiaire. Ainsi, l'épaisseur de l'aube est augmentée localement par une diminution de la concavité de l'intrados, ce qui en outre contribue à diminuer localement la différence de pression entre cet intrados et l'extrados de l'aube adjacente pour mieux empêcher la formation de tourbillons de passage. Toutefois, il est également envisageable, alternativement ou en combinaison avec cet épaississement à l'intrados, que l'extrados soit sensiblement plus cambré sur ledit segment adjacent au pied ou à la tête d'aube que sur ledit segment intermédiaire. L'aube peut être une aube de rotor ou une aube de redressement, et la présente invention concerne aussi un aubage comprenant une pluralité de telles aubes, une turbine comprenant un tel aubage et une turbomachine, telle que par exemple un turboréacteur, turbomoteur ou turbopropulseur, comprenant une telle turbine.

Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'une turbomachine ; - la figure 2A est une coupe longitudinale d'un étage de turbine comprenant un aubage fixe et un aubage mobile ; - la figure 2B est une vue en coupe des aubages de la figure 2A dans un plan cylindrique centré sur l'axe de rotation du rotor ; - la figure 3A est un graphique illustrant l'évolution du rapport épaisseur maximale sur corde sur la hauteur d'une aube de stator de turbine épaissie localement sur un segment adjacent au pied d'aube ; la figure 3B est un graphique illustrant l'évolution du rapport épaisseur maximale sur corde sur la hauteur d'une aube de stator de turbine épaissie localement sur un segment adjacent à la tête d'aube; - la figure 3C est un graphique illustrant l'évolution du rapport épaisseur maximale sur corde sur la hauteur d'une aube de stator de turbine épaissie localement sur un segment adjacent au pied d'aube et un segment adjacent à la tête d'aube ; - la figure 4A est un graphique illustrant l'évolution du rapport épaisseur maximale sur corde sur la hauteur d'une aube de rotor de turbine épaissie localement sur un segment adjacent au pied d'aube ; - la figure 4B est un graphique illustrant l'évolution du rapport épaisseur maximale sur corde sur la hauteur d'une aube de rotor de turbine épaissie localement sur un segment adjacent à la tête d'aube ; - la figure 4C est un graphique illustrant l'évolution du rapport épaisseur maximale sur corde sur la hauteur d'une aube de rotor de turbine épaissie localement sur un segment adjacent au pied d'aube et un segment adjacent à la tête d'aube ; - la figure 5A illustre schématiquement un profil d'aube épaissi du côté intrados ; - la figure 5B illustre schématiquement un profil d'aube épaissi di côté extrados ; et - la figure 5C illustre schématiquement un profil d'aube épaissi du côté extrados ainsi que du côté intrados. Description détaillée de l'invention La figure 1 montre un exemple illustratif de turbomachine, plus spécifiquement un turboréacteur axial 1 à double flux. Le turboréacteur 1 illustré comporte une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6, et une turbine basse pression 7. La soufflante 2 et le compresseur basse pression 3 sont reliés à la turbine basse pression 7 par un premier arbre de transmission 9, tandis que le compresseur haute pression 4 et la turbine haute pression 6 sont reliés par un deuxième arbre de transmission 10. En fonctionnement, un écoulement d'air comprimé par les compresseurs basse et haute pression 3 et 4 alimente une combustion dans la chambre de combustion 5, dont l'expansion des gaz de combustion entraîne les turbines haute et basse pression 6, 7. A travers les arbres 9 et 10, les turbines 6, 7 actionnent ainsi la soufflante 2 et les compresseurs 3,4. L'air propulsé par la soufflante 2 et les gaz de combustion sortant du turboréacteur 1 à travers une tuyère propulsive (non illustrée) en aval des turbines 6, 7 exercent une poussée de réaction sur le turboréacteur 1 et, à travers lui, sur un véhicule ou engin tel qu'un aéroplane (non illustré). Chaque compresseur 3,4 et chaque turbine 6,7 du turboréacteur 1 comportent plusieurs étages, chaque étage étant formé par un aubage fixe ou stator, et un aubage tournant ou rotor. Un étage de turbine axiale est illustré schématiquement sur les figures 2A et 2B. Cet étage 11 comprend un stator 12 suivi, en direction aval, par un rotor 13. Le stator 12 et le rotor 13 comportent chacun une pluralité d'aubes 14,15, arrangées radialement autour de l'axe de rotation A du rotor 13, qui est sensiblement parallèle à la direction générale d'écoulement du fluide de travail à travers le turboréacteur 1. Chaque aube de stator 14 comporte un pied d'aube 16 et une tête d'aube 17 séparés par une hauteur d'aube hs suivant la direction de l'axe radial Z. Entre le pied d'aube 16 et la tête d'aube 17, l'aube 14 comporte un empilement de profils aérodynamiques dans des plans perpendiculaires à l'axe radial Z, formant un bord d'attaque 18 en direction amont, un bord de fuite 19 en direction aval, un extrados 20 et un intrados 21. Chaque aube de rotor 15 comporte aussi un pied d'aube 22 et une tête d'aube 23, séparés par une hauteur d'aube hR, ainsi qu'un bord d'attaque 24, un bord de fuite 25, un extrados 26 et un intrados 27. Dans ce rotor 15 de turbine, le sens de rotation R en fonctionnement normal est tel que chaque aube 15 se déplace en direction de son extrados 26, aspirée par la sous-pression de l'extrados 26 par rapport à l'intrados 27. Tant dans le stator 12 comme dans le rotor 13 la différence de pression entre l'intrados d'une aube et l'extrados d'une aube adjacente a tendance à générer des tourbillons de passage 28 à partir des couches limites plus lentes à proximité des pieds et têtes d'aube. Il a toutefois été découvert que ces tourbillons peuvent être sensiblement empêchés en épaississant les profils des aubes à proximité des pieds et têtes d'aubes.

Cet épaississement local peut être défini en termes de rapport épaisseur maximale sur corde pour chaque profil. On entend par corde d'un profil la distance C entre le bord d'attaque et le bord de fuite, tandis que l'épaisseur maximale peut être définie comme le diamètre Emax du plus grand cercle pouvant être inscrit dans le profil. Ainsi, le rapport épaisseur maximale sur corde d'un profil est le quotient de ce diamètre Emax divisé par cette distance C. La figure 3A illustre l'évolution en direction radiale Z, du pied d'aube à la tête d'aube, du rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C d'une aube de stator suivant un premier mode de réalisation. Sur ce graphique, l'axe vertical correspond au rapport entre la distance radiale d de chaque profil au pied d'aube et la hauteur d'aube totale hs, tandis que l'axe horizontal correspond à son rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C.

Cette aube de stator présente un épaississement en pied d'aube, tel que, dans un segment adjacent au pied d'aube, et occupant environ 25% de la hauteur d'aube hs, tout rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C est sensiblement supérieur à tout rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C dans le segment intermédiaire situé entre une distance d au pied d'aube égale à 35% de la hauteur d'aube hs et une distance d égale à 60% de la hauteur d'aube hs. Ce segment intermédiaire n'est donc pas adjacent à la tête ou au pied d'aube. En particulier, dans l'exemple illustré, le rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C atteint environ 22% à proximité du pied d'aube, tandis qu'il ne dépasse pas environ 14 % au- delà d'une distance d de 25 % de la hauteur d'aube hs.

Alternativement à l'épaississement en pied d'aube de la figure 3A, une aube de stator suivant un deuxième mode de réalisation est épaissie en tête d'aube. L'évolution en direction radiale Z, du pied d'aube à la tête d'aube, du rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C de cette aube de stator est illustrée sur la figure 3B. Sur ce graphique, l'axe vertical correspond aussi au rapport entre la distance radiale d de chaque profil au pied d'aube et la hauteur d'aube totale hs, tandis que l'axe horizontal correspond à son rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C. Dans un segment de cette aube de stator qui est adjacent à la tête d'aube, et occupe environ 25% de la hauteur d'aube h5, tout rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C est sensiblement supérieur à tout rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C dans le segment intermédiaire situé entre une distance d égale à 35% de la hauteur d'aube hs et une distance d égale à 60% de la hauteur d'aube hs. En particulier, dans l'exemple illustré, le rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C atteint environ 20% à proximité de la tête d'aube, tandis qu'il ne dépasse pas environ 13 % à une distance d du pied d'aube inférieure à 75% de la tête d'aube. Il est également possible de combiner un épaississement en pied d'aube avec un épaississement en tête d'aube. La figure 3C illustre l'évolution en direction radiale Z, du pied d'aube à la tête d'aube, du rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C d'une aube de stator suivant un troisième mode de réalisation combinant ces deux épaississements. Sur ce graphique, l'axe vertical correspond aussi au rapport entre la distance radiale d de chaque profil au pied d'aube et la hauteur d'aube totale hs, tandis que l'axe horizontal correspond à son rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C. Dans un segment adjacent au pied d'aube et dans un segment adjacent à la tête d'aube, occupant chacun environ 25% de la hauteur d'aube hs, tout rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C est sensiblement supérieur à tout rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C dans le segment intermédiaire situé entre une distance d égale à 35% de la hauteur d'aube hs et une distance d égale à 60% de la hauteur d'aube hs. En particulier, dans l'exemple illustré, le rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C atteint environ 22% à proximité du pied d'aube et environ 20% à proximité de la tête d'aube, tandis qu'il ne dépasse pas environ 13 % dans le segment intermédiaire situé entre une distance d égale à 35% de la hauteur d'aube hs et une distance d égale à 60% de la hauteur d'aube hs. Ces solutions ne sont pas uniquement applicables aux aubes de stator 14, mais également aux aubes de rotor 15. Ainsi, la figure 4A illustre l'évolution en direction radiale Z, du pied d'aube à la tête d'aube, du rapport épaisseur maximale sur corde Ernax/C d'une aube de rotor suivant un quatrième mode de réalisation. Sur ce graphique, l'axe vertical correspond au rapport entre la distance radiale d de chaque profil au pied d'aube et la hauteur d'aube totale hR, tandis que l'axe horizontal correspond à son rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C. Cette aube de rotor présente un épaississement en pied d'aube, tel que, dans un segment adjacent au pied d'aube, et occupant environ 25% de la hauteur d'aube hR, tout rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C est sensiblement supérieur à tout rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C dans le segment intermédiaire situé entre une distance d au pied d'aube égale à 35% de la hauteur d'aube hR et une distance d égale à 60% de la hauteur d'aube hR. En particulier, dans l'exemple illustré, le rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C atteint environ 13 % à proximité du pied d'aube, tandis qu'il ne dépasse pas environ 8 % au-delà d'une distance d de 25% de la hauteur d'aube hR. Alternativement à l'épaississement en pied d'aube de la figure 4A, une aube de rotor suivant un cinquième mode de réalisation est épaissie en tête d'aube. L'évolution en direction radiale Z, du pied d'aube à la tête d'aube, du rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C de cette aube de stator est illustrée sur la figure 4B. Sur ce graphique, l'axe vertical correspond aussi au rapport entre la distance radiale d de chaque profil au pied d'aube et la hauteur d'aube totale hR, tandis que l'axe horizontal correspond à son rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C. Dans un segment 15c de cette aube de stator qui est adjacent à la tête d'aube, et occupe environ 25% de la hauteur d'aube hr, tout rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C est sensiblement supérieur à tout rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C dans le segment intermédiaire 15b non adjacent à la tête ou au pied d'aube. En particulier, dans l'exemple illustré, le rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C atteint environ 11% à proximité de la tête d'aube, tandis qu'il ne dépasse pas environ 8 % à une distance d inférieure à 75% de la hauteur d'aube hR. Pour les aubes de rotor, il est également possible de combiner un épaississement en pied d'aube avec un épaississement en tête d'aube. La figure 4C illustre l'évolution en direction radiale Z, du pied d'aube à la tête d'aube, du rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C d'une aube de rotor suivant un sixième mode de réalisation combinant ces deux épaississements. Sur ce graphique, l'axe vertical correspond aussi au rapport entre la distance radiale d de chaque profil au pied d'aube et la hauteur d'aube totale hR, tandis que l'axe horizontal correspond à son rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C. Dans un segment adjacent au pied d'aube et dans un segment adjacent à la tête d'aube, occupant chacun plus de 25% de la hauteur d'aube hR, tout rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C est sensiblement supérieur à tout rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C dans un segment intermédiaire entre une distance d égale à 35% de la hauteur d'aube hR et une distance d égale à 60% de la hauteur d'aube hR, et donc non adjacent au pied ou à la tête d'aube. En particulier, dans l'exemple illustré, le rapport épaisseur maximale sur corde Emax/C atteint environ 13% à proximité du pied d'aube et environ 11% à proximité de la tête d'aube, tandis qu'il ne dépasse pas environ 8 % dans dans ledit segment intermédiaire. Dans chacune de ces variantes, l'épaississement local peut s'effectuer du côté intrados, du côté extrados, ou des deux côtés. La figure 5A illustre ainsi un profil d'aube 30 épaissi du côté intrados par rapport à un profil de référence 31, de même corde C mais moindre épaisseur maximale Emax. La figure 5B illustre un profil d'aube 30' épaissi du côté extrados par rapport au même profil de référence 31, et la figure 5C un profil d'aube 30" épaissi des deux côtés par rapport au même profil de référence 31. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.5

Claims

REVENDICATIONS1. Aube (14,15) de turbine axiale, caractérisée en ce que, dans au moins un segment adjacent à un pied ou tête de l'aube (16,17 ; 22,23), tout rapport épaisseur maximale sur corde (Emax/C) est sensiblement supérieur à tout rapport épaisseur maximale sur corde (Emax/C) dans un segment intermédiaire non adjacent au pied ou à la tête d'aube (16,17 ; 22,23).
2. Aube de turbine axiale (14,15) suivant la revendication 1, caractérisée en ce que, dans un segment adjacent au pied d'aube (16,22) et dans un segment adjacent à la tête de l'aube (17,23), tout rapport épaisseur maximale sur corde (Emax/C) est sensiblement supérieur au rapport épaisseur maximale (Emax/C) sur corde dans ledit segment intermédiaire.
3. Aube (14,15) de turbine axiale suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit segment adjacent au pied ou à la tête de l'aube (16,17 ; 22,23) occupe au moins 10 % d'une hauteur d'aube (hs,hR).
4. Aube (14,15) de turbine axiale suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que son intrados est sensiblement moins cambré sur ledit segment adjacent au pied ou à la tête d'aube (16,17 ; 22,23) que sur ledit segment intermédiaire.
5. Aube (14,15) de turbine axiale suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que son extrados est sensiblement plus cambré sur ledit segment adjacent au pied ou à la tête d'aube (16,17 ; 22,23) que sur ledit segment intermédiaire.
6. Aube (15) de turbine axiale suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est une aube de rotor.35
7. Aube (14) de turbine axiale suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est une aube de stator.
8. Aubage de turbine axiale comprenant une pluralité d'aubes (14,15) suivant l'une quelconque des revendications précédentes.
9. Turbine axiale comportant un aubage suivant la revendication
10. Turbomachine comportant une turbine axiale suivant la revendication 9. 8.10