FR2989742A1 - Carter de compresseur a cavites a forme amont optimisee - Google Patents

Abstract

Carter pour compresseur de turbomachine comportant des cavités (5) creusées, de façon non communicantes entre elles, dans l'épaisseur dudit carter à partir de sa face interne et disposées parallèlement les unes aux autres sur une circonférence dudit carter, lesdites cavités ayant une forme allongée selon une direction principale d'orientation entre deux parois latérales et se refermant respectivement vers l'amont et vers l'aval par une face amont et par une face aval dont les intersections avec la face interne du carter (4) forment respectivement une frontière amont (7) et une frontière aval (6), caractérisé en ce que la frontière amont (7) de ces cavités (5) a la forme d'une ligne ondulée comportant au moins deux alternances sur sa longueur comprise entre lesdites parois latérales.

Description

Le domaine de la présente invention est celui de la propulsion et plus particulièrement celui des compresseurs axiaux ou axialo-centrifuges pour ensemble propulsif (turboréacteur ou turbopropulseur, dénommés turbomachines dans la suite de la description) et plus spécifiquement aux compresseurs haute-pression fortement chargés.

Les turbomachines aéronautiques sont principalement constituées par un ou plusieurs compresseurs, dans lesquels l'air aspiré dans l'entrée d'air est comprimé, par une chambre de combustion dans laquelle le carburant injecté est brûlé, puis par une turbine dans laquelle les gaz brûlés sont détendus pour entraîner le ou les compresseurs et enfin par un dispositif d'éjection. Les compresseurs aéronautiques, sont constitués d'ailettes, ou aubes, qui sont mues en rotation à l'intérieur d'un carter qui assure l'étanchéité de la veine d'air avec l'extérieur du moteur. Il est connu que le jeu existant entre les extrémités des aubes mobiles du compresseur et le carter formant la paroi interne de la veine d'écoulement de l'air dégrade le rendement du moteur de la turbomachine. En outre, ce jeu peut notablement modifier et dégrader le fonctionnement du compresseur jusqu'à l'apparition d'un phénomène de « pompage », qui résulte du décrochage du flux d'air de la surface des aubes. Le contrôle de la circulation de l'air en bout des aubes constitue ainsi un enjeu primordial pour obtenir à la fois un bon rendement aérodynamique du compresseur et une marge suffisante contre le phénomène de pompage. Une approche développée pour limiter l'impact de cet écoulement parasite entre l'extrémité de l'aube et le carter consiste à creuser des cavités disposées dans la paroi du carter au niveau du chemin de passage des aubes. Ces cavités sont placées en regard de l'aube ou préférentiellement décalées axialement, en direction de l'amont du moteur, dans le but de réinjecter l'air circulant dans le jeu entre l'aube et le carter, dans la veine en amont de l'aube en question. Un exemple d'une telle réalisation est donné dans la demande de brevet de la demanderesse qui a été publiée sous le numéro FR 2940374. L'amélioration apportée par cette réalisation ne provient que d'une optimisation de la position axiale des cavités et la recherche d'optimisation sur d'autres paramètres de ces cavités doit être poursuivie pour tenter d'améliorer encore le rendement aérodynamique et/ou la marge au pompage des compresseurs existants.

La présente invention a donc pour but de proposer un carter de compresseur muni de cavités, aux performances aérodynamiques encore améliorées.

A cet effet, l'invention a pour objet un carter pour compresseur de turbomachine comportant des cavités creusées, de façon non communicantes entre elles, dans l'épaisseur dudit carter à partir de sa face interne et disposées parallèlement les unes aux autres sur une circonférence dudit carter, lesdites cavités ayant une forme allongée selon une direction principale d'orientation entre deux parois latérales et se refermant respectivement vers l'amont et vers l'aval par une face amont et par une face aval dont les intersections avec la face interne du carter forment respectivement une frontière amont et une frontière aval, caractérisé en ce que la frontière amont de ces cavités a la forme d'une ligne ondulée comportant au moins deux alternances sur sa longueur comprise entre lesdites parois latérales. La présence d'une ligne ondulée favorise le mélange de l'air réinjecté avec l'air principal et, ainsi, améliore le rendement et/ou la marge au pompage de l'étage concerné du compresseur utilisant ledit carter.

Avantageusement lesdites parois latérales convergent l'une vers l'autre en se dirigeant de l'aval vers l'amont. Cette configuration permet d'accélérer l'air qui circule entre l'aube et le carter et d'améliorer sa réinjection dans la veine, ce qui se traduit, là encore, par une amélioration du rendement et/ou de la marge au pompage de l'étage concerné. Dans un mode particulier de réalisation la ligne ondulée est une ligne brisée en zigzag, constituée de segments formant entre eux alternativement des angles saillants et des angles rentrants. Préférentiellement la face amont desdites cavités est constituée par une succession de dents s'étendant, radialement, entre la frontière amont et le fond de la cavité et, axialement, alternativement vers l'amont et vers l'aval de ladite cavité.

Avantageusement la face aval a une forme convexe. Cela facilite l'aspiration de l'air en aval de la cavité. Dans un mode particulier de réalisation les cavités sont réparties de façon régulière sur la circonférence du carter. Dans un mode alternatif de réalisation les cavités sont réparties de façon non régulière sur la circonférence du carter. L'invention porte également sur un compresseur pour turbomachine comportant un carter tel que décrit ci-dessus et sur une turbomachine comportant un tel compresseur. 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 schématique en coupe d'un étage de compresseur dont le carter présente une cavité de recyclage de l'air circulant entre l'aube et le carter ; - la figure 2 est une vue schématique, de dessus, d'une pale de rotor et d'un carter selon l'art antérieur ; - la figure 3 est une vue schématique, de dessus, d'une pale de rotor et d'un carter selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique de la découpe d'une cavité dans un carter selon l'invention, et - la figure 5 est une vue en perspective des cavités découpées dans un carter selon l'invention. En se référant à la figure 1, on voit un étage de compresseur comportant une aube de stator, ou aube fixe 2, positionnée en amont d'une aube de rotor, ou aube mobile 1, attachée 10 à un disque 3 (ou directement solidaire de ce disque selon une technologie dite de disque aubagé monobloc). Les aubes fixes sont maintenues en place par fixation sur un carter de compresseur 4, qui entoure les aubes mobiles 1 en laissant un jeu prédéfini avec elles. Le carter 4 est creusé, à partir de sa face interne, de multiples cavités 5, non communicantes entre elles, qui sont régulièrement disposées sur sa circonférence, en vis-à-vis 15 du chemin de passage des aubes mobiles 1. Ces cavités ont, grossièrement, la forme d'un parallélépipède rectangle qui s'enfonce radialement dans le carter et qui présente en coupe selon un plan axial, la forme d'un rectangle aux coins arrondis. Leur forme, en coupe dans un plan tangent à la circonférence du carter 4, est, quant à elle, sensiblement celle d'un rectangle allongé s'étendant selon deux grands côtés et comportant, à l'amont et à l'aval, deux petits 20 côtés formant des frontières dites amont 7 et aval 6. Il convient de noter que, dans l'art antérieur, ces deux frontières sont classiquement des segments de droite. Comme on peut le voir sur la figure 1, les cavités 5 sont décalées vers l'amont du moteur, par rapport au bord d'attaque 11 de l'aube mobile 1. La longueur dont dépasse l'amont 7 de la cavité 5 par rapport au bord d'attaque des aubes, est toutefois limitée par l'espace 25 existant entre la roue d'aubes mobiles 1 et la roue d'aubes fixes 2. Du fait de l'implantation de ces cavités, l'air parasite est aspiré à un certain pourcentage de la corde de l'aube mobile et réinjecté dans la veine en amont de l'aube. Cette configuration permet le recyclage de l'air qui passe dans le jeu entre l'aube 1 et le carter 4 ; ce jeu peut en effet être le lieu de violentes turbulences qui perturberaient la configuration de l'écoulement entre les différents étages et 30 donc qui pourraient entraîner une dégradation des performances du compresseur ou, à l'extrême, provoquer un phénomène dit de « pompage » ou de « décrochage ». Un tel phénomène se caractérise par une chute instantanée du taux de compression et une inversion transitoire du débit d'air traversant le compresseur, qui sort alors par l'amont du compresseur. En se référant maintenant aux figures 2 et 3, on voit la position circonférentielle 35 d'une série de cavités 5 alignées le long du carter 4, respectivement selon l'art antérieur et selon l'invention. Le nombre de cavités est très supérieur au nombre d'aubes 1 constituant la roue mobile de l'étage de compresseur. Ce nombre est dans la pratique compris entre 2 et 4 fois le nombre d'aubes mobiles 1. La répartition circonférentielle des cavités, telle que montrée sur les figures est une disposition uniforme ; il a, par ailleurs, déjà été proposé de rendre cette disposition irrégulière pour casser l'excitation aérodynamique sur les aubages qui pourrait être provoquée par ces cavités, notamment aux extrémités de chacune des deux demi-coquilles qui constituent le carter.

Sur la figure 2, qui représente l'art antérieur, la découpe que forment les cavités 5 à leur intersection avec la face interne du carter 4 a une forme sensiblement rectangulaire avec les deux grands côtés sensiblement parallèles. A contrario, sur la figure 3 qui représente un mode de réalisation de l'invention, la découpe des cavités a une forme trapézoïdale, avec deux petits côtés à l'amont et à l'aval qui sont sensiblement parallèles et deux grands côtés qui sont convergents vers l'amont, de sorte que la frontière aval 6 a une longueur plus importante que celle de la frontière amont 7. La figure 4 montre en détail la forme de la découpe d'une cavité 5 dans un carter 4, selon l'invention, au niveau de la face interne du carter 4. Alors que le petit côté aval, c'est à dire la frontière aval 6, est, comme dans l'art antérieur, rectiligne, le petit côté amont, c'est-à- dire la frontière amont 7, ne l'est pas mais il présente une forme en chevrons qui se développent de part et d'autre de la ligne circonférentielle reliant les frontières amont des différentes cavités 5. La figure 5 montre en perspective et en creux, la forme des cavités 5 et leur position relative par rapport à une roue d'aubes mobiles 1, dans le cas d'un carter 4 selon l'invention. La face avant du parallélépipède formant la cavité 5 est ondulée selon une forme en chevrons qui s'étendent tout le long de la face avant de la cavité, en prenant naissance dans le fond de la cavité pour se terminer par une ligne en zigzag au niveau de la face interne du carter 4 et de la frontière amont 7.

On va maintenant expliquer l'apport de l'invention, en rappelant tout d'abord le principe de fonctionnement des traitements de carters par l'implantation dans leur épaisseur de cavités 5. Deux effets aérodynamiques sont combinés : en premier lieu, l'aspiration de l'air au bord d'attaque en sommet de rotor permet de contrer le développement du tourbillon de jeu entre le rotor et le carter, ce qui permet de gagner en rendement et en limite de stabilité ; en second lieu, la réinjection de l'air en amont de la roue mobile permet par une ré-énergisation de la couche limite, de gagner en limite de stabilité, et donc en marge au pompage. On considère en général qu'il convient de prendre en compte trois paramètres particuliers pour obtenir le meilleur résultat avec un traitement de carter par incorporation de cavités 5. Le premier concerne la position axiale de l'aval de la cavité, qui définit l'endroit d'aspiration de l'air, le second, la position axiale de l'amont de la cavité qui définit l'endroit de réinjection de l'air et, le troisième, le volume de la cavité qui détermine la quantité d'air prélevé et réinjecté, donc l'efficacité du traitement de carter. Mais il convient de prendre également en compte un point qui influence directement l'efficacité du traitement de carter et qui concerne la qualité de la réinjection de l'air en amont de la roue mobile. En particulier, d'une part, la vitesse de réinjection doit être la plus élevée possible pour obtenir le plus d'amélioration de la marge au pompage, et, d'autre part, l'air réintroduit dans la veine doit se mélanger le mieux possible avec l'écoulement principal, faute de quoi on risque de générer des pertes de rendement. Pour traiter ces deux points, l'invention propose, tout d'abord, d'avoir des cavités 5 dont la largeur est variable et qui vont en se rétrécissant latéralement de l'aval vers l'amont. Le fait de garder une grande largeur à la cavité vers l'aval est importante pour aspirer l'air de recirculation dans de bonnes conditions et éviter l'apparition d'un tourbillon de jeu ; et la diminution de la cavité vers l'amont permet d'augmenter la vitesse de l'air qui sera réinjecté dans la veine. Ensuite l'aménagement de chevrons permet d'améliorer le mélange de l'air réinjecté avec l'air principal, de la même manière que des chevrons sur la tuyère d'une turbomachine permettent d'améliorer le mélange entre l'air chaud en sortie du flux primaire et l'air froid en sortie du flux secondaire.

Avec ces aménagements effectués sur les cavités 5 d'un carter 4 de compresseur, on améliore l'efficacité d'aspiration du tourbillon de jeu et on obtient ainsi, en plus d'une augmentation de la marge au pompage, une légère amélioration du rendement de l'étage de compresseur.20

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Carter pour compresseur de turbomachine comportant des cavités (5) creusées, de façon non communicantes entre elles, dans l'épaisseur dudit carter à partir de sa face interne et disposées parallèlement les unes aux autres sur une circonférence dudit carter (4), lesdites cavités ayant une forme allongée selon une direction principale d'orientation entre deux parois latérales et se refermant respectivement vers l'amont et vers l'aval par une face amont et par une face aval dont les intersections avec la face interne du carter (4) forment respectivement une frontière amont (7) et une frontière aval (6), caractérisé en ce que la frontière amont (7) de ces cavités (5) a la forme d'une ligne ondulée comportant au moins deux alternances sur sa longueur comprise entre lesdites parois latérales.
2. 2. Carter pour compresseur selon la revendication 1 dans lequel lesdites parois latérales convergent l'une vers l'autre en se dirigeant de l'aval vers l'amont.
3. 3. Carter pour compresseur selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel la ligne ondulée est une ligne brisée en zigzag, constituée de segments formant entre eux alternativement des angles saillants et des angles rentrants.
4. 4. Carter pour compresseur selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la face amont desdites cavités est constituée par une succession de dents s'étendant, radialement, entre la frontière amont (7) et le fond de la cavité (5) et, axialement, alternativement vers l'amont et vers l'aval de ladite cavité.
5. 5. Carter pour compresseur selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel la face aval a une forme convexe.
6. 6. Carter pour compresseur selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel les cavités (5) sont réparties de façon régulière sur la circonférence du carter (4).
7. 7. Carter pour compresseur selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel les cavités (5) sont réparties de façon non régulière sur la circonférence du carter (4).
8. 8. Compresseur pour turbomachine comportant un carter selon l'une des revendications 1 à 7.
9. 9. Turbomachine comportant un compresseur selon la revendication précédente.