FR3006722A1 - Dispositif de depoussierage de compresseur de turbomachine - Google Patents

Abstract

Compresseur de turbomachine dont le carter comprend sur sa face interne au moins une rainure circonférentielle (4) formant, dans un plan radial, une gorge non traversante s'enfonçant dans son épaisseur, caractérisé en ce que le carter comporte au moins une perforation (5) s'étendant à partir de ladite gorge de façon à traverser ledit carter de part en part. Ladite perforation s'étend à partir du fond de la gorge, en étant orientée dans un plan radial et selon un axe incliné par rapport à la direction radiale et a pour objet l'élimination des poussières qui traversent la veine d'air.

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, turbopropulseur ou turbomoteur, dénommés turbomachines dans la suite de la description). 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 ou plusieurs turbines dans lesquelles 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. 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. 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. Un exemple de réalisation de telles cavités est donné dans la demande de brevet FR2940374 déposée par la demanderesse. Ces cavités sont creusées dans le carter entourant les aubes du compresseur mais ne le traversent pas, l'air circulant dans le jeu entre l'aube et le carter, étant réinjecté dans la veine au droit ou en amont de l'aube en question. Par ailleurs il convient de prendre en compte, lors de la conception des compresseurs et de leur environnement, le fait que l'air aspiré peut parfois contenir des particules de poussière qui, d'une part, provoquent une usure prématurée des pièces avec lesquelles elles entrent en contact et, d'autre part, peuvent obturer les trous de ventilation des pièces des parties chaudes. On a ainsi pu constater dans le cas des poussières volcaniques, que cette usure pouvait être très rapide ce qui a conduit à interdire de vol certaines régions situées aux alentours de zones volcaniques actives. Les parties les plus sensibles sont situées au coeur du moteur, comme, par exemple, le compresseur haute pression qui est particulièrement sensible à l'érosion du fait de ses dimensions très petites et de sa vitesse de rotation très grande, ou encore la chambre de combustion et la turbine haute-pression qui sont, elles, très sensibles à l'obstruction des trous de ventilation nécessaires à leur refroidissement. Différents systèmes de dépoussiérage équipent déjà les turboréacteurs actuels, qui jouent sur l'effet de centrifugation pour renvoyer les poussières vers le flux froid, dans le cas d'un moteur double flux à soufflante. On peut citer comme par exemple la forme donnée au cône central de la soufflante, le positionnement le plus en retrait possible du bec de séparation entre les flux chaud et froid et enfin l'utilisation de vannes de décharge en sortie du compresseur basse pression, ce qui est très efficace mais la mise en oeuvre de ce dernier dispositif n'est pas envisageable à fort régime pour des raisons de pertes de performance. L'efficacité de ces dispositifs n'est, en tout état de cause, pas suffisamment grande pour empêcher l'érosion des pièces ni empêcher l'interdiction de vol en cas d'une éruption volcanique. La présente invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif d'élimination des poussières qui améliore la situation.

A cet effet, l'invention a pour objet un carter cylindrique de compresseur pour une turbomachine comprenant sur sa face interne au moins une rainure circonférentielle formant, dans un plan radial, une gorge non traversante s'enfonçant dans son épaisseur, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une perforation s'étendant à partir de ladite gorge de façon à traverser ledit carter de part en part.

La présence d'une gorge permet de récupérer les poussières circulant dans la veine, en utilisant l'action de la force centrifuge qui s'exerce sur elles du fait de la rotation des aubes mobiles placées dans le carter. Avantageusement ladite gorge est formée par deux parois latérales reliées par un fond, lesdites parois latérales étant orientées selon un plan radial. Cette orientation radiale correspond à celle qui permet le meilleur confinement des poussières, une fois qu'elles y ont été entraînées, et qui empêche leur retour dans la veine. De façon préférentiel le fond est, en coupe, de forme semi-circulaire, ladite perforation s'étendant à partir du fond de la gorge.

Dans un mode préférentiel de réalisation ladite perforation est orientée selon un axe incliné par rapport à la direction radiale, et plus préférentiellement dans un plan radial. Cette orientation inclinée correspond préférentiellement à la direction de circulation des poussières entrant dans la gorge. L'invention porte également sur un compresseur de turbomachine comprenant un carter tel que décrit ci-dessus et une roue d'aubes mobiles positionnée en amont d'une roue d'aubes de stator, caractérisé en ce que la gorge dudit carter est positionnée axialement en vis-à-vis des aubes mobiles, entre leur bord d'attaque et le bord d'attaque de la grille d'aubes de stator située en aval. Cette position axiale correspond à un optimum dans le recueil et, partant, dans l'évacuation des poussières vers l'extérieur de la veine. De façon préférentielle la gorge dudit carter est positionnée axialement entre le bord d'attaque et le bord de fuite desdites aubes mobiles.

L'invention porte enfin sur une turbomachine comportant un compresseur tel que décrit ci-dessus. Avantageusement le compresseur équipé d'un carter muni d'une gorge est le compresseur positionné le plus amont dans le flux chaud de la turbomachine. Il peut s'agir préférentiellement d'un compresseur de gavage, dit IP, ou d'un compresseur basse pression, situé à l'entrée du flux chaud, immédiatement en aval du bec de séparation des flux chaud et froid. De façon plus préférentielle la roue des aubes mobiles positionnées en vis-à-vis de la gorge du carter est la première roue dudit 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 d'une aube de compresseur et de son carter selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue détaillée du carter de la figure 1.

Dans la suite de la description les qualificatifs amont ou aval sont compris en référence au sens de l'écoulement dans la veine du compresseur, et les termes intérieur, extérieur, axial ou radial le sont en référence à l'axe de rotation du compresseur correspondant.

En se référant à la figure 1, on voit, de façon schématique, une aube de compresseur 1, qui est mobile en rotation autour d'un axe 10 représentatif de l'arbre de turbine qui entraîne le compresseur. Cette aube appartient à une roue d'aubes mobiles qui tourne à l'intérieur d'un carter de compresseur 2, en laissant un jeu prédéfini entre la tête la de l'aube et la paroi interne du carter 2. Tel que représenté, sans que cette représentation soit impérative, l'aube appartient à un compresseur dit intermédiaire ou de gavage, qui se situe à l'entrée de la veine dans laquelle circule le flux chaud d'un turboréacteur double flux, c'est-à-dire en amont du compresseur haute pression et en aval du bec de séparation entre les flux froid et chaud. Ce bec est formé par deux carters qui se rejoignent en amont : un carter interne de flux froid 3, qui canalise le flux froid en sortie de la soufflante et l'oriente directement vers la tuyère de sortie, et le carter 2 mentionné ci-dessus, à l'intérieur duquel circule le flux chaud représenté par la flèche F. Le carter 2 est creusé, approximativement au niveau du milieu de la corde de l'aube 1 (sans que ce positionnement axial soit impératif), par une gorge circulaire 4 qui s'enfonce radialement dans l'épaisseur du carter, sans le traverser. L'extrémité extérieure de cette gorge se prolonge de loin en loin par une perforation, ou trou de fuite 5, qui, elle, traverse le carter 2 de part en part. Ce trou de fuite débouche dans une cavité 6 formée par les deux parois qui séparent les flux froid et chaud et qui se rejoignent en amont au niveau du bec de séparation. La paroi 3 du carter intérieur du canal de flux froid est également percée, de part en part, par une seconde perforation 7 qui débouche dans le canal de flux froid pour évacuer le flux qui passe par le trou de fuite 5. La figure 2 montre de façon plus détaillée le carter de compresseur 2 avec sa gorge 4 et son trou de fuite 5. La gorge 4, qui s'étend tangentiellement sur toute la circonférence du carter, a en coupe la forme d'un U renversé, avec deux parois orientées radialement, qui se rejoignent selon une forme arrondie en demi-cercle. En revanche, bien qu'un seul soit visible sur la figure, une pluralité de trous de fuite 5 est disposée sur la périphérie de la gorge 4.

On va maintenant décrire comment fonctionne l'invention pour assurer l'évacuation des poussières qui ont réussi à pénétrer à l'intérieur de la veine d'air chaud. Le dispositif préconisé par l'invention consiste à profiter de l'effet centrifuge qui est donné au flux traversant le compresseur, pour, tout d'abord, concentrer les poussières à la périphérie externe de la veine, puis les collecter via une gorge circulaire 4 et enfin les évacuer à l'extérieur de la veine par des trous de fuite 5. L'invention prévoit ainsi de placer une ou plusieurs gorges circulaires parallèles 4, creusées dans la paroi externe du carter 2 au droit d'une ou de plusieurs roues mobiles du compresseur suivant l'efficacité que l'on souhaite donner au dispositif et le niveau que l'on accepte pour les pertes de rendement qui y sont associées. L'objectif est de capter les particules dans ces gorges 4 et de les y maintenir jusqu'à ce qu'elles se présentent, du fait de leur vitesse tangentielle, en face d'un trou de fuite 5. On profite pour cela du fait que la vitesse périphérique de l'air dans la gorge est proche de celle du sommet la des aubes mobiles, tout en ayant une vitesse axiale quasiment nulle. Le positionnement et la forme de la gorge 4 du collecteur et des orifices d'évacuation 5 sont essentiels pour maximiser l'efficacité du système de dépoussiérage. La gorge est de révolution, c'est-à-dire axisymétrique, et sans obstacle. Sa forme en coupe peut être ronde comme illustré sur la figure, ou bien carrée ou de quelque autre forme présentant un fond qui permette le recueil des particules. En revanche les flancs de la gorge doivent être orientés le plus proche possible de la direction radiale, ceci pour faciliter le confinement des particules qui ont été captées et non encore évacuées. Pour assurer une bonne évacuation des poussières la gorge 4 doit être placée axialement entre le bord d'attaque d'une roue d'aubes mobiles et celui de la grille de stator située immédiatement en aval. Elle est de préférence placée axialement entre le bord d'attaque et le bord de fuite des aubes mobiles, ce qui correspond à une zone d'efficacité maximale. Elle peut néanmoins être déplacée vers l'aval, au-delà du bord de fuite, en restant toutefois en amont du bord d'attaque des aubes de stator, en contrepartie d'une diminution d'efficacité modérée. Les trous de fuite 5 sont, quant à eux, positionnés dans le fond de la ou des gorges 4 et sont calibrés pour permettre l'évacuation des particules qui y sont concentrées et la maîtrise du débit de l'air qui passe dans la gorge. Leur calibre est défini par un compromis entre la minimisation de la section pour réduire la fuite d'air au travers de ces orifices, et une ouverture suffisante pour maximiser leur capacité d'évacuation des poussières.

Pour qu'elles soient évacuées efficacement par centrifugation l'idéal est d'incliner les trous de fuite 5 dans un plan radial, de façon à profiter de la vitesse tangentielle des particules. L'orientation de l'axe de ces trous dans ce plan est pour cela préférentiellement alignée avec la vitesse de l'air entrant dans la gorge 4. De façon alternative on peut diminuer l'inclinaison tangentielle des ces trous dans le but d'obtenir une plus grande facilité pour la réalisation de leur perçage. Mais, pour obtenir une efficacité équivalente en matière d'évacuation des poussières, il faut alors augmenter la section de passage de ces trous de fuite 5, mais au détriment du rendement du compresseur. Axialement les trous 5 peuvent êtres inclinés vers l'amont ou vers l'aval pour mieux capter les particules, dans le cas où un effet de giration apparaît dans la gorge 4. En ce qui concerne leur forme, les trous peuvent êtres ronds, oblongs ou de quelque autre forme que ce soit, pour autant qu'ils assurent une bonne perméabilité pour les poussières à évacuer. La largeur des trous sera généralement égale ou inférieure à la largeur de la gorge afin de minimiser les sections de fuite. On se réserve la possibilité d'avoir des trous de largeur supérieure à la gorge, par exemple dans le cas où les trous servent aussi à assurer un prélèvement d'air. Leur largeur est alors dimensionnée par ce prélèvement et la surface interne du carter se présente comme une succession de portion de gorge et de gros trous.

L'efficacité du système sera d'autant plus grande que le nombre de gorges 4 d'évacuation est élevé, que le nombre d'étages équipés est lui-même élevé, que la vitesse de rotation du compresseur est grande et que la pression dans la veine est faible. A contrario, l'impact sur les performances du composant sera limité si on ne réalise qu'une seule gorge 4 par étage de compresseur et si le débit de fuite est limité par un nombre de trous 5 réduit au juste nécessaire. On note par ailleurs que le fait d'introduire une gorge axisymétrique 4 et des trous de fuite 5 est équivalent à un traitement de carter, comme celui proposé dans la demande de brevet FR2940374, qui serait couplé avec une aspiration de la couche limite. Ceci se traduit par un effet bénéfique sur l'opérabilité de la turbomachine, l'effet produit étant particulièrement sensible sur les étages du compresseur situés les plus en amont. Par ailleurs le système proposé présente l'avantage de participer à l'évacuation de l'ensemble des particules qui sont plus denses que l'air, comme par exemple l'eau, que celle-ci soit sous forme liquide ou solide.10

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Carter cylindrique de compresseur pour une turbomachine comprenant sur sa face interne au moins une rainure circonférentielle (4) formant, dans un plan radial, une gorge non traversante s'enfonçant dans son épaisseur, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une perforation (5) s'étendant à partir de ladite gorge de façon à traverser ledit carter de part en part.
2. 2. Carter selon la revendication 1 dans lequel ladite gorge est formée par deux parois latérales reliées par un fond, lesdites parois latérales étant orientées selon un plan radial.
3. 3. Carter selon la revendication 2 dans lequel le fond est, en coupe, de forme semi-circulaire, ladite perforation s'étendant à partir du fond de la gorge.
4. 4. Carter selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel ladite perforation (5) est orientée selon un axe incliné par rapport à la direction radiale.
5. 5. Carter selon la revendication 4 dans lequel l'axe de ladite perforation est orienté dans un plan radial.
6. 6. Compresseur de turbomachine comprenant un carter (2) selon l'une des revendications 1 à 5 et une roue d'aubes mobiles (1) positionnée en amont d'une roue d'aubes de stator, caractérisé en ce que la gorge (4) dudit carter est positionnée axialement en vis-à-vis des aubes mobiles (1), entre leur bord d'attaque et leu bord d'attaque de la grille d'aubes de stator située en aval.
7. 7. Compresseur de turbomachine selon la revendication 6 dans lequel la gorge (4) dudit carter est positionnée axialement entre le bord d'attaque et le bord de fuite desdites aubes mobiles.
8. 8. Turbomachine comportant un compresseur selon l'une des revendications 6 ou 7.
9. 9. Turbomachine double flux selon la revendication 8 dans lequel le compresseur équipé d'un carter muni d'une gorge (4) est le compresseur positionné le plus amont dans le flux chaud de la turbomachine.
10. 10. Turbomachine selon la revendication 9 dans lequel la roue des aubes mobiles (1) positionnées en vis-à-vis de la gorge (4) du carter (2) est la première roue dudit compresseur.