FR3009347A1 - Diffuseur pour un compresseur radial ou mixte d'un moteur comprenant un anneau et des actionneurs - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un diffuseur radial d'un moteur (1) comprenant : - des pales (10) qui s'étendent entre un flasque avant (5a) et un flasque arrière (5b), comprenant chacune un aubage amont (12) à calage variable monté à rotation autour d'un pivot (13) entre les flasques (5a, 5b), et - un système d'actionnement (20, 22, 30-37b) des aubages amont (12) un anneau (20), mobile en rotation autour de l'axe (X) du moteur (1), et une pluralité d'actionneurs (22) chacun étant à la fois articulé sur l'anneau (20) et fixé sur le pivot (13) d'un aubage amont (12).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne de manière générale les moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement un étage de diffusion d'un compresseur radial ou mixte d'une turbine à gaz, ainsi qu'à un compresseur associé.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Un compresseur comprend un ou plusieurs disques tournants (rotor ou rouet), aubagés ou non et une ou plusieurs roues à aubes fixes (étages redresseurs).

Un compresseur radial (ou centrifuge) possède au moins un étage de compression radial, c'est-à-dire apte à réaliser un écoulement de gaz perpendiculaire à l'axe central du compresseur. Il comprend au moins un rouet à pales radiales qui aspirent l'air axialement, qui, sous l'effet de la force radiale, est accéléré, comprimé et refoulé radialement. Cet air est ensuite redressé dans un diffuseur (pale fixe) qui transforme une partie de sa vitesse en pression statique en ralentissant les gaz en sortie du rouet. L'opération doit se dérouler avec un minimum de perte de pression totale tout en maintenant un niveau de stabilité du compresseur satisfaisant afin de maintenir une marge au pompage acceptable pour le fonctionnement de zo la turbomachine. Les gaz sont alors guidés vers la chambre de combustion. Un compresseur mixte (ou hélico-radial) possède au moins un étage de compression incliné par rapport audit axe central, de sorte que le fluide sort du rouet du compresseur en faisant un angle non nul avec la direction 25 radiale. Un diffuseur d'un compresseur radial est composé d'une roue formée de deux flasques entre lesquels s'écoulent les gaz de manière radiale ou inclinée à partir du centre vers la périphérie. Des pales sont réparties entre les flasques tout le long de la roue. Ces pales forment une grille 30 d'écoulement entre les bords d'attaque de ces pales et leurs bords de fuite. Cependant, la déviation du flux d'air en sortie du rouet par les pales du diffuseur peut provoquer un décollement du fluide sur l'intrados ou l'extrados des pales, lequel décollement, dès lors qu'il est important, peut conduire au décrochage du fluide et, par suite, au pompage. Il est connu que ce phénomène de pompage est néfaste pour les éléments constitutifs du compresseur, en sorte qu'on cherche à l'éviter dans la mesure du possible. Habituellement, selon le régime du moteur (régime de croisière, décollage, etc.), l'incidence de l'écoulement vu par les pales du diffuseur radial change. Or, lorsque les pales sont fixes par rapport à cet écoulement, il n'est pas possible d'adapter leur position en fonction de la déviation de l'écoulement. Les pales sont donc positionnées selon une inclinaison qui est suffisamment protectrice pour éviter les risques de décollement du fluide et donc de pompage, au détriment de la consommation du moteur et du rendement du compresseur. Cette position des pales ne peut donc pas être optimale en tout point du régime de fonctionnement du moteur.

On a donc proposé des pales à calage variable, comprenant une partie aval (dans le sens de l'écoulement des fluides dans le diffuseur) fixe, et une partie amont mobile, dont la position est modulée en fonction du régime du moteur. Par exemple, le document WO 2011/128587 décrit un diffuseur comprenant une première grille annulaire de pales à calage variable radialement bordée par une deuxième grille annulaire de pales à calage fixe d'extension équivalente, formant des canaux de diffusion successifs par couplage des pales des deux grilles en extension radiales. De plus, chaque pale de la première grille est entraînée par des moyens de commande aptes à exercer une rotation propre de chaque pale décentrée par rapport à son axe de rotation. Ce type de diffuseur est cependant davantage prévu pour être mis en oeuvre dans des turbomoteurs d'hélicoptères que dans des moteurs d'avion, qui sont plus compacts. RESUME DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est d'améliorer les performances et la marge au pompage des diffuseurs des compresseurs radiaux et mixtes de l'art antérieur.

En particulier, l'invention a pour objectif de proposer un diffuseur d'un compresseur radial ou mixte capable de faire fonctionner le compresseur avec une marge au pompage sensiblement constant, tout en restant près de son rendement maximum quelle que soit la variation de la charge et pouvant être utilisé sur tout type de turbomoteur ou turbomachine, en particulier les moteurs d'avions. Pour cela, l'invention propose un diffuseur pour un compresseur radial ou mixte d'un moteur comprenant : - un flasque annulaire avant et un flasque annulaire arrière, centrés autour d'un axe du moteur, - une série de pales à calage variable qui s'étendent circonférentiellement autour de l'axe du moteur entre le flasque avant et le flasque arrière, lesdites pales comprenant chacune un aubage amont à calage variable bordé d'un aubage aval à calage fixe, et - un système d'actionnement des aubages amont, adapté pour orienter les aubages amont dans les flasques avant et arrière par rapport à un écoulement de fluide dans le diffuseur. Chaque aubage amont du diffuseur est fixé solidairement sur un pivot qui est monté en rotation autour d'un axe s'étendant entre le flasque avant et le flasque arrière et le système d'actionnement comprend : - un anneau, centré sur l'axe du moteur et mobile en rotation autour de l'axe du moteur par rapport au flasque avant et au flasque arrière, et - une série d'actionneurs, comprenant chacun une première partie articulée sur l'anneau et une deuxième partie fixée sur le pivot d'un aubage amont, de sorte que la rotation de l'anneau entraine la rotation du pivot et de l'aubage amont par l'intermédiaire de l'actionneur. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du diffuseur décrit ci-dessus sont les suivantes : - l'anneau est disposé à proximité d'une face externe de l'un parmi le flasque avant ou le flasque arrière, - le système d'actionnement comprend en outre au moins un vérin, adapté pour entraîner l'anneau en rotation autour de l'axe du moteur, - le système d'actionnement comprend deux vérins, adaptés pour entraîner l'anneau en rotation autour de l'axe du moteur de façon synchronisée, - l'au moins un vérin est fixé sur une face externe de l'un parmi le flasque avant ou le flasque arrière, - l'au moins un vérin est fixé sur le carter du moteur, - le système d'actionnement comprend en outre au moins un renvoi d'angle s'étendant entre le vérin et l'anneau, adapté pour transmettre les mouvements du vérin à l'anneau, - le système d'actionnement comprend en outre un arbre, s'étendant entre le vérin et l'anneau, adapté pour transmettre les mouvements du vérin à l'anneau, et - chaque actionneur comprend une bielle, dont la première partie est montée à pivotement sur l'anneau, et la deuxième partie est fixée sur le pivot afin d'entrainer le pivot en rotation. L'invention propose également un compresseur radial ou mixte d'un moteur comprenant un tel diffuseur, ainsi qu'un moteur comprenant un tel 20 compresseur. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au 25 regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 illustre un exemple de moteur pouvant comprendre un diffuseur conforme à l'invention, La figure 2 est une vue schématique d'un mode de réalisation d'un 30 diffuseur radial conforme à l'invention dans une première position, sur laquelle une partie des éléments internes au diffuseur sont visibles en pointillés, La figure 3 est un vue schématique du diffuseur radial de la figure 2, dans une deuxième position, et La figure 4 est une vue schématique en coupe partielle d'un compresseur radial comprenant le diffuseur radial de la figure 2.

DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Un diffuseur radial selon la présente invention est notamment destiné à être utilisé avec un compresseur 2 de type radial ou mixte. Dans ce qui suit, nous décrirons plus particulièrement le cas d'un compresseur de type radial. Ceci n'est cependant pas limitatif. La figure 1 est une vue en coupe partielle d'un moteur 1 comportant un compresseur radial 2. Un flux gazeux F est d'abord aspiré dans une manche d'entrée d'air, puis comprimé entre les aubes 3a d'un rouet 3 du compresseur radial 2 et son carter. Le compresseur 2 est de symétrie axiale 15 autour d'un axe X du moteur. Le flux gazeux F comprimé sort alors radialement du rouet 3. Si le compresseur 2 était mixte, le flux gazeux sortirait incliné selon un angle non nul par rapport à une direction radiale à l'axe X. Le flux gazeux F sort radialement du rouet 3 tout en présentant un 20 moment cinétique et passe dans un diffuseur 5. Le rôle du diffuseur 5 est de convertir une partie de l'énergie cinétique des gaz en provenance du compresseur 2 en pression statique en ralentissant la vitesse des gaz, et de redresser l'écoulement issu du rouet 3. Le diffuseur 5 étant radial, il comprend pour cela une pluralité de pales 10 à calage variable disposées 25 radialement autour de l'axe X du moteur selon sa circonférence, qui s'étendent entre des faces internes d'un flasque avant 5a et d'un flasque arrière 5b. Chaque pale 10 à calage variable comprend, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement du flux gazeux F, un aubage amont 12 à calage 30 variable bordé d'un aubage aval 14 à calage fixe. Les aubages amont 12 sont mobiles par rapport au flasque avant 5a et au flasque arrière 5b du diffuseur 5, afin d'adapter la position des aubages 12 du diffuseur 5 aux conditions de l'écoulement incident du flux gazeux F. Les aubages aval 14 quant à eux sont montés fixes entre les flasques avant 5a et arrière 5b, dans le prolongement des aubages amont 12. Le diffuseur 5 comprend en outre un système d'actionnement des aubages amont 12, adapté pour orienter les aubages amont 12 dans les flasques avant 5a et arrière 5b du diffuseur 5 en fonction du régime de fonctionnement du moteur 1 et de l'écoulement du flux gazeux F dans le compresseur 2. Pour cela, chaque aubage amont 12 est fixé solidairement sur un pivot 13 qui est monté à rotation autour d'un axe s'étendant entre le flasque avant 5a et le flasque arrière 5b. Dans le cas d'un compresseur radial, les axes des pivots 13 sont donc globalement parallèles à l'axe X. Par ailleurs, afin de permettre le mouvement des aubages amont 12 entre les flasques 5a, 5b sans endommager les différentes pièces, un jeu peut être prévu entre les aubages 12 et lesdits flasques 5a, 5b. Les pivots 13 sont fixés à égale distance de l'axe X du moteur 1, de sorte qu'à rotation égale de chaque pivot 13 correspond une même rotation et une même orientation de chaque aubage amont 12. Les pivots 13 peuvent notamment être disposés à égale distance entre le bord d'attaque et le bord de fuite de l'aubage amont 12, ou décentrés, c'est-à-dire plus proche du bord d'attaque ou du bord de fuite. Par ailleurs, le système d'actionnement comprend un anneau 20, centré sur l'axe X du moteur 1 et mobile en rotation autour dudit axe X par rapport aux flasques 5a, 5b, et une série d'actionneurs 22, de préférence autant d'actionneurs que d'aubage amont à orienter. Chaque actionneur 22 comprend une première partie 22a articulée sur l'anneau 20 et une deuxième partie 22b fixée sur le pivot 13 d'un aubage amont 12 correspondant, de sorte que la rotation de l'anneau 20 entraine la rotation du pivot 13 par l'intermédiaire de l'actionneur 22.

Le rayon de l'anneau 20 est différent du rayon entre chaque pivot 13 et l'axe X du moteur 1, afin de permettre à l'actionneur 22 d'orienter les aubages amont 12. Ainsi, dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures, le rayon de l'anneau 20 est plus grand que la distance entre les pivots 13 et l'axe X du moteur 1. Les actionneurs 22 peuvent notamment comprendre des bielles 22, s'étendant entre l'anneau 20 et chaque pivot 13, afin d'entrainer les pivots 13 en rotation. Pour cela, la première extrémité 22a de la bielle 22 peut être montée à pivotement sur l'anneau 20, tandis que sa deuxième extrémité 22b est montée fixement sur le pivot 13. La rotation de l'anneau 20 entraine la première extrémité 22a de la bielle 22 en mouvement le long de la circonférence de l'anneau 20, ce qui entraine en rotation la deuxième extrémité 22b de la bielle 22 autour de l'axe du pivot 13 (qui est fixe par rapport aux flasques 5a, 5b). L'aubage amont 12 étant solidaire en rotation du pivot 13, il pivote 13 autour de l'axe du pivot 13. La rotation de l'anneau 20 par rapport aux flasques 5a, 5b permet donc d'orienter les aubages amont 12 dans le flux gazeux F par rapport aux flasques 5a, 5b. 15 La plage de variation angulaire du calage des aubages amont 12 peut être de l'ordre de 20°. Cette plage angulaire de variation de calage permet des variations de section de passage à l'entrée du col (section minimum) des canaux aubagés du diffuseur radial adaptées à tous les régimes moteur. En particulier, les calages les plus fermés permettront une 20 réduction des sections au col d'environ 50% par rapport au calage nominal, tandis que les calages les plus ouverts permettront une augmentation des sections au col d'environ 110% par rapport au calage nominal. Le calage nominal est équivalent au calage qu'auraient des aubages dépourvus de capacité de rotation, et donc positionnés de façon à obtenir un compromis 25 performance de compression et marge au pompage. Afin de ne pas gêner l'écoulement du flux gazeux F dans le diffuseur 5, l'anneau 20 et les actionneurs 22 sont disposés en dehors du diffuseur 5. Par exemple, l'anneau 20 et les actionneurs 22 peuvent s'étendre à 30 proximité de la face externe de l'un des flasques avant 5a ou arrière 5b. Ainsi, dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures, l'anneau 20 s'étend à proximité de la face externe 6 du flasque 5a. La surface externe 6 de ce flasque 5a peut alors être munie de plots de guidage 7, adaptés pour améliorer le centrage de l'anneau 20 autour de l'axe X du moteur 1. Les bielles 22 quant à elles s'étendent entre l'anneau 20 et le pivot 13 correspondant, du côté de la face externe du même flasque.

Dans le cas où l'actionneur 22 est une bielle, le flasque adjacent 5a à l'anneau 20 peut comprendre un orifice traversant en regard de chaque pivot 13 afin de permettre le passage des pivots 13 à travers le flasque 5a et la fixation de la deuxième extrémité des bielles 22 aux pivots 13 correspondants. De la sorte, seuls les aubages amont 12 et les pivots 13 s'étendent entre les faces internes des flasques 5a, 5b, dans l'écoulement du flux gazeux F, le système d'actionnement s'étendant en dehors des flasques 5a, 5b du diffuseur 5.

L'anneau 20 peut être actionné à l'aide d'au moins un vérin 30, pneumatique ou hydraulique, comprenant une tige 34 solidaire d'un piston mobile en translation dans un cylindre 32 (corps du vérin 30) contrôlé par une unité de commande. L'actionnement de l'anneau 20 et l'orientation des aubages amont 12 dans les flasques 5a, 5b peut donc être réalisé de façon dynamique en fonction de l'évolution du régime du moteur 1. Selon une première forme de réalisation illustrée sur les figures 2 et 3, le vérin 30 peut être fixé sur le même flasque 5a que l'anneau 20. Le vérin 30 entraine alors directement l'anneau 20 en rotation à l'aide d'organes d'engrènement adaptés. L'actionnement du vérin 30 par l'unité de commande entraine la translation de la tige 34 du vérin 30 qui entraine la rotation de l'anneau 20 autour de l'axe X du moteur 1. Néanmoins, l'environnement du compresseur 2 étant très chaud, il est possible d'éloigner le vérin 30 du diffuseur. Ainsi, dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 4, le vérin 30 est fixé sur le carter 4 du moteur 1. La liaison entre le vérin 30 et l'anneau 20 peut alors comprendre un arbre intermédiaire 36, s'étendant entre le vérin 30 et l'anneau 20 et adapté pour transmettre les mouvements du vérin 30 à l'anneau 20 par l'intermédiaire d'au moins un renvoi d'angle. Par exemple, la liaison peut comprendre : - un pignon d'attaque 35, s'étendant depuis une extrémité libre de la tige 34 du vérin 30, - une couronne dentée 21, s'étendant depuis la surface libre de l'anneau 20 (qui correspond à la surface de l'anneau 20 opposée à la face externe 6 du flasque 5a), - une première roue dentée 37a, formée au niveau d'une première extrémité de l'arbre 36, adaptée pour coopérer avec le pignon d'attaque 35 de la tige 34 de vérin 30. Le pignon d'attaque 35 de la tige 34 et la première roue dentée 37a de l'arbre 36 forment alors ensemble un premier renvoi d'angle 35, 37a, et - une roue deuxième dentée 37b, formée au niveau d'une deuxième extrémité de l'arbre 36, adaptée pour coopérer avec la couronne dentée de 15 l'anneau 20. La deuxième roue dentée 37b de l'arbre 36 et la couronne dentée 32 de l'anneau 20 forment alors ensemble un deuxième renvoi d'angle 37b, 21. Ainsi, dans cette forme de réalisation, l'actionnement du vérin 30 par l'unité de commande entraine la translation de la tige 34 du vérin 30, qui 20 met l'arbre 36 en rotation par l'intermédiaire du premier renvoi d'angle 35, 37a, l'arbre 36 entrainant l'anneau 20 en rotation par l'intermédiaire du deuxième renvoi d'angle 37b, 21. Bien entendu, les dents du pignon d'attaque 35 (resp. de la deuxième roue dentée 37b) et de la première roue dentée 37a (resp. de la couronne dentée 21) sont de même type (dents 25 droites, dents hélicoïdales, chevrons, etc.) et de même module (c'est-à-dire le rapport du diamètre sur le nombre de dents), et les centres de la génératrice du leur surface dentée respective sont confondus en un point, afin que les renvois d'angle 35, 37a et 37b, 21 puissent fonctionner. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 4, le vérin 30 est 30 fixé sur le carter 4 moteur 1, entre le carter du compresseur 2 et le carter de la chambre de combustion (qui est située en aval du compresseur 2). L'arbre 36 s'étend alors radialement par rapport à l'axe X du moteur 1, au droit de l'anneau 20, ce qui permet de limiter l'encombrement du système d'actionnement. Ceci n'est cependant pas limitatif, dans la mesure où le vérin 30 pourrait être fixé plus en amont sur le carter du compresseur 2 ou au contraire plus en aval du carter de la chambre de combustion, la position de l'arbre 36 et la forme des dents des différents organes d'engrènement étant alors adaptées en conséquence. De plus, le système d'actionnement peut comprendre plusieurs vérins 30, par exemple deux vérins 30, adaptés pour actionner l'anneau 20 de façon synchronisée et orienter les aubages amont 12 des pales à calage 10 variable. L'anneau 20, qui est mobile en rotation autour de l'axe X du moteur 1, peut être solidaire du flasque avant 5a ou du flasque arrière 5b. En variante, l'anneau 20 peut être maintenu à proximité de l'un des flasques 15 5a, 5b, par exemple le flasque avant 5a, par les actionneurs 22 et le(s) arbre(s) 36 du système d'actionnement. Dans cette dernière forme de réalisation, la mise en oeuvre d'au moins deux vérins 30 permet de centrer l'anneau 20 par rapport à l'axe X du moteur 1.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Diffuseur (5) pour un compresseur (2) radial ou mixte d'un moteur (1), comprenant : - un flasque annulaire avant (5a) et un flasque annulaire arrière (5b), centrés autour d'un axe (X) du moteur (1), - une série de pales (10) à calage variable qui s'étendent circonférentiellement autour de l'axe (X) du moteur (1) entre le flasque avant (5a) et le flasque arrière (5b), lesdites pales (10) comprenant chacune un aubage amont (12) à calage variable bordé d'un aubage aval (14) à calage fixe, et - un système d'actionnement (20, 22, 30-37b) des aubages amont (12), adapté pour orienter les aubages amont (12) entre les flasques avant (5a) et arrière (5b) par rapport à un écoulement de fluide (F) dans le diffuseur (5), le diffuseur (5) étant caractérisé en ce que chaque aubage amont (12) est fixé solidairement sur un pivot (13) qui est monté en rotation autour d'un axe s'étendant entre le flasque avant (5a) et le flasque arrière (5b) et en ce que le système d'actionnement (20, 22, 30-37b) comprend : - un anneau (20), centré sur l'axe (X) du moteur (1) et mobile en rotation autour de l'axe (X) du moteur (1) par rapport au flasque avant (5a) et au flasque arrière (5b), et - une série d'actionneurs (22), comprenant chacun une première partie (22a) articulée sur l'anneau (20) et une deuxième partie (22b) fixée sur le pivot (13) d'un aubage amont (12), de sorte que la rotation de l'anneau (20) entraine la rotation du pivot (13) et de l'aubage amont (12) par l'intermédiaire de l'actionneur (22).
2. 2. Diffuseur (5) selon la revendication 1, dans lequel l'anneau (20) est disposé à proximité d'une face externe (6) de l'un parmi le flasque avant (5a) ou le flasque arrière (5b).
3. 3. Diffuseur (5) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le système d'actionnement (20, 22, 30-37b) comprend en outre au moins un vérin (30), adapté pour entraîner l'anneau (20) en rotation autour de l'axe (X) du moteur (1).
4. 4. Diffuseur (5) selon la revendication 3, dans lequel le système d'actionnement (20, 22, 30-37b) comprend deux vérins (30), adaptés pour entraîner l'anneau (20) en rotation autour de l'axe (X) du moteur (1) de 10 façon synchronisée.
5. 5. Diffuseur (5) selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel l'au moins un vérin est fixé sur une face externe (6) de l'un parmi le flasque avant (5a) ou le flasque arrière (5b). 15
6. 6. Diffuseur (5) selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel l'au moins un vérin (30) est fixé sur le carter (4) du moteur (1).
7. 7. Diffuseur (5) selon l'une des revendications 3 à 6, dans lequel le 20 système d'actionnement (20, 22, 30-37b) comprend en outre au moins un renvoi d'angle (35, 37a ; 37b, 21) s'étendant entre le vérin (30) et l'anneau (20), adapté pour transmettre les mouvements du vérin (30) à l'anneau (20).
8. 8. Diffuseur (5) selon les revendications 6 et 7 prises en 25 combinaison, dans lequel le système d'actionnement (20, 22, 30-37b) comprend en outre un arbre (36), s'étendant entre le vérin (30) et l'anneau (20), adapté pour transmettre les mouvements du vérin (30) à l'anneau (20).
9. 9. Diffuseur (5) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel 30 chaque actionneur (22) comprend une bielle (22), dont la première partie (22a) est montée à pivotement sur l'anneau (20), et la deuxième partie (22b) est fixée sur le pivot (13) afin d'entrainer le pivot (13) en rotation.
10. 10. Compresseur (2) radial ou mixte d'un moteur, comprenant un diffuseur (5) selon l'une des revendications 1 à 9.