FR2989743A1 - Carter de compresseur a cavites de longueurs variees - Google Patents

Abstract

Compresseur pour turbomachine comprenant un carter, au moins un étage de compresseur constitué d'une roue d'aubes fixes et d'une roue d'aubes mobiles (1) positionnée en aval de ladite roue d'aubes fixes, et des cavités (5) creusées dans l'épaisseur dudit carter et disposées parallèlement les unes aux autres en regard des aubes mobiles (1), lesdites cavités ayant une forme allongée selon une direction principale d'orientation et se refermant respectivement vers l'amont et vers l'aval par une face amont et par une face aval dont les intersections avec le carter forment respectivement une frontière amont (7) et une frontière aval (6), lesdites cavités étant décalées par rapport aux aubes mobiles (1) de façon à déborder vers l'amont de la roue d'aubes mobiles, une des frontières (6, 7) des cavités (5) étant positionnée axialement au même niveau pour toutes lesdites cavités (5), caractérisé en ce que au moins deux cavités consécutives ont des longueurs différentes.

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. Par ailleurs ces cavités ayant tendance à créer une excitation instationnaire de la roue mobile, à cause de la réinjection périodique d'air en amont de celle-ci, sur la circonférence du compresseur, il convient de tenir compte des problèmes mécaniques que ces vibrations peuvent générer et de proposer des solutions pouvant atténuer ces phénomènes.

La présente invention a donc pour but de proposer un carter de compresseur muni de cavités, aux performances aérodynamiques améliorées et présentant un faible niveau d'excitation vibratoire sur les aubes mobiles. A cet effet, l'invention a pour objet un compresseur pour turbomachine comprenant un carter, au moins un étage de compresseur constitué d'une roue d'aubes fixes et d'une roue d'aubes mobiles positionnée en aval de ladite roue d'aubes fixes, et 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 en regard du chemin de passage des aubes mobiles, lesdites cavités ayant une forme allongée selon une direction principale d'orientation et se refermant respectivement vers l'amont et vers l'aval par une face amont et par une face aval dont les intersections avec le carter forment respectivement une frontière amont et une frontière aval, lesdites cavités étant décalées par rapport aux aubes mobiles de façon à déborder vers l'amont de la roue d'aubes mobiles en recouvrant leur extrémité amont, une des frontières des cavités étant positionnée axialement au même niveau pour toutes lesdites cavités, caractérisé en ce que au moins deux cavités consécutives ont des longueurs différentes selon la direction principale d'orientation. La variation de la longueur des cavités sur des aubes adjacentes évite les phénomènes d'excitation des aubes mobiles sur la fréquence de son passage devant les cavités et réduit très fortement les sollicitations mécaniques associées. Préférentiellement ladite frontière est la frontière aval de la cavité. Dans un mode alternatif de réalisation ladite frontière est la frontière amont de la cavité. Avantageusement les longueurs des cavités sont variables le long de la circonférence du carter selon un schéma répétitif, ledit schéma ne comportant pas l'implantation côte à côte de cavités de même longueur. Le choix d'un schéma de répétition adapté permet d'éliminer les fréquences sur lesquelles les aubes sont susceptibles de réagir. Dans un mode particulier de réalisation ledit schéma comporte trois longueurs différentes, les longueurs se répétant selon la formule 1-2-3-1-2-3, etc. Dans un autre mode de réalisation ledit schéma comporte trois longueurs différentes, les longueurs se succédant selon la formule 1-2-3-2-1-2-3-2, etc. Dans d'autres modes alternatifs, ledit schéma comporte deux, ou bien plus de trois, longueurs différentes.

L'invention porte également sur une turbomachine comportant un compresseur 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 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 du positionnement d'une cavité par rapport à une pale; - la figure 5 donne, sur une partie de la circonférence du carter de la figure 3, la longueur de la partie des cavités qui est située en amont du bord d'attaque des aubes.

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 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 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 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 côtés formant des frontières dites amont 7 et aval 6. Ces deux frontières sont classiquement des segments de droite.

Comme on peut le voir sur la figure 1, les cavités 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 par rapport au bord d'attaque des aubes, est toutefois limitée par l'espace existant entre la roue d'aubes mobiles 1 et la roue d'aubes fixes 2. 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 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 par une inversion transitoire du débit d'air traversant le compresseur, qui sort alors par l'amont du compresseur. Par l'implantation de ces cavités, l'air parasite est aspiré et réinjecté dans la veine en amont de l'aube. La réinjection de l'air, par sa répétitivité au passage de chaque aube mobile 1 entraîne, en revanche, un phénomène aéro-élastique instationnaire qui a pour effet d'exciter les aubes mobiles sur une fréquence qui est susceptible d'entraîner une entrée de celles-ci en résonance ou à tout le moins de générer des contraintes mécaniques importants sur elles. L'invention a, notamment, pour objet d'éviter cette mise en résonance ou l'apparition de telles contraintes.

En se référant maintenant aux figures 2 et 3, on voit la position circonférentielle 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 tenter de 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 longueur L des cavités est constante et égale pour toutes. Elles sont toutes positionnées axialement (en référence à l'axe de rotation du compresseur, dont le sens de rotation est donné par la flèche) au même niveau, et s'étendent, de ce fait, vers l'amont jusqu'au même point entre la roue mobile et la roue fixe.

A contrario, sur la figure 3 qui représente un mode de réalisation de l'invention, la longueur des cavités n'est pas constante. Telles que les cavités sont représentées, leur longueur évolue de façon périodique selon trois longueurs distinctes, en renouvelant son schéma toutes les trois cavités. Elles restent néanmoins positionnées, comme c'était le cas sur la figure 2, de sorte que leurs frontières aval 6 soient alignées, axialement, sur une même circonférence. La position de leur frontière amont 7 est, en conséquence évolutive d'une cavité à la suivante selon un schéma répétitif. Le schéma présenté, avec une répétition des longueurs toutes les trois cavités, n'est donné qu'à titre d'exemple ; il peut tout à fait être adapté, sur une base d'un nombre de cavités consécutives supérieur ou inférieur à 3, selon la fréquence du mode vibratoire que l'on cherche à éliminer. La figure 4 montre dans le détail le positionnement relatif d'une cavité 5 par rapport aux aubes mobiles 1. Sa position axiale est définie par la longueur L2 qui correspond à la distance existant entre le bord d'attaque 11 de l'aube 1 et la frontière aval 6 de la cavité 5. Sa longueur est définie comme la somme de deux grandeurs L1 et L2, L1 étant la distance entre le bord d'attaque 11 de l'aube mobile et la frontière amont 7 de la cavité 5. Sur la figure 5 est représenté un schéma préférentiel de répétition de la longueur et du positionnement des cavités 5 le long de la circonférence du carter 4, sur une portion de circonférence d'ouverture d'angle 6. L'axe des abscisses représentant la position axiale du bord d'attaque 11, on voit que toutes les cavités sont positionnées axialement à une même distance L2 du bord d'attaque vers l'aval et que leur envergure L1+L2 varie selon un schéma périodique répétitif sur trois valeurs.

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. La position axiale des cavités 5 par rapport au bord d'attaque 11 de l'aube, ainsi que la longueur de recouvrement L2 au-dessus de l'aube, sont des paramètres importants qui influent sur les gains possibles de marge au pompage et de rendement du compresseur. Leur variabilité permet d'avoir un paramètre complémentaire sur lequel jouer pour optimiser le couple marge au pompage- rendement. En général, un compromis doit être trouvé, qui limite le gain de marge au pompage potentiel, pour éviter une perte de rendement trop forte. On considère cependant qu'il convient de prendre en compte, tout particulièrement, trois paramètres 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. Chaque passage de roue mobile devant la cavité 5 provoque une injection d'air dans la partie aval de celle-ci ; l'aube « pousse » le débit dans la cavité lors du passage de l'aube au-dessus de la cavité puis cet air circule dans la cavité et est ensuite réinjecté en amont de la roue mobile 1. Le fait d'avoir toutes les frontières aval des aubes alignées entre elles permet d'avoir cet effet de poussée qui arrive au même moment sur toute les aubes. Ceci provoque une poussée plus efficace au moment optimum, quand l'aube passe au niveau de l'aval de la cavité, et cet effet de poussée provoque la diminution du tourbillon de jeu associé au passage de l'aube. En revanche, la présence de cavités identiques au-dessus de la roue, en provoquant une réinjection d'air à une fréquence bien définie, peut engendrer des effets aéro-élastiques néfastes, comme une réponse forcée en fréquence, provoquant une forte sollicitation mécanique qui peut aller jusqu'à une rupture de la pale. Pour casser cette fréquence, l'invention propose de différencier la géométrie des cavités 5 et, ainsi, d'avoir une réinjection d'air qui ne pulse plus à une fréquence bien définie, mais qui agisse sur un mélange de trois fréquences, ce qui diminue fortement les risques d'excitation mécanique de l'aubage. L'invention a été décrite avec des cavités dont les frontières aval 6 sont, toutes, calées axialement à une même longueur L2 du bord d'attaque 11 des aubes mobiles 1. D'autres dispositions sont également possibles, qui entrent dans le cadre de l'invention, telles que des cavités dont les frontières amont 7 sont calées axialement à une même longueur L1 du bord d'attaque 11 des aubes mobiles 1, tout en étant de longueur L1+L2 variables d'une cavité 5 à la suivante. De même le schéma de répartition des longueurs des cavités 5 peut être différent de celui décrit (suite de longueurs selon la règle 1-2-3-1-2-3 etc.) et se décliner selon une règle de répétition différente (par exemple1-2-3-2-1-2-3-2 etc.). Le nombre de longueurs différentes dans le schéma de répétition des cavités peut, lui aussi, être différent de trois et être égal, par exemple à 2 ou à une valeur supérieure à 3. La flexibilité qu'apporte le choix sur le nombre de cavités différentes permet de prendre en compte de nombreuses fréquences sur lesquelles les aubes mobiles risquent de supporter des contraintes vibratoires importantes.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Compresseur pour turbomachine comprenant un carter (4), au moins un étage de compresseur constitué d'une roue d'aubes fixes (2) et d'une roue d'aubes mobiles (1) positionnée en aval de ladite roue d'aubes fixes (2), et 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) en regard du chemin de passage des aubes mobiles (1), lesdites cavités ayant une forme allongée selon une direction principale d'orientation et se refermant respectivement vers l'amont et vers l'aval par une face amont et par une face aval dont les intersections avec le carter forment respectivement une frontière amont (7) et une frontière aval (6), lesdites cavités étant décalées par rapport aux aubes mobiles (1) de façon à déborder vers l'amont de la roue d'aubes mobiles en recouvrant leur extrémité amont, une des frontières (6, 7) des cavités (5) étant positionnée axialement au même niveau pour toutes lesdites cavités (5), caractérisé en ce que au moins deux cavités consécutives ont des longueurs différentes selon la direction principale d'orientation.
2. 2. Compresseur selon la revendication 1 dans lequel ladite frontière est la frontière aval (6).
3. 3. Compresseur selon la revendication 1 dans lequel ladite frontière est la frontière amont (7).
4. 4. Compresseur selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel les longueurs des cavités sont variables le long de la circonférence du carter (4) selon un schéma répétitif, ledit schéma ne comportant pas l'implantation côte à côte de cavités de même longueur.
5. 5. Compresseur selon la revendication 4 dans lequel ledit schéma comporte trois longueurs différentes, les longueurs se répétant selon la formule 1-2-3-1-2-3, etc.
6. 6. Compresseur selon la revendication 4 dans lequel ledit schéma comporte trois longueurs différentes, les longueurs se succédant selon la formule 1-2-3-2-1-2-3-2, etc.
7. 7. Compresseur selon la revendication 4 dans lequel ledit schéma comporte deux longueurs différentes.
8. 8. Compresseur selon la revendication 4 dans lequel ledit schéma comporte plus de trois longueurs différentes.
9. 9. Turbomachine comportant un compresseur selon l'une des revendications précédentes.