FR3009348B1 - Diffuseur pour un compresseur radial ou mixte d'un moteur comprenant un flasque dont une partie est mobile - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un diffuseur radial d'un moteur (1), comprenant une série de pales (10) à calage variable qui s'étendent entre un flasque avant (5a) et un flasque arrière (5b), lesdites pales (10) comprenant chacune un aubage amont (12) à calage variable. Une partie du flasque avant (5a) est mobile autour de l'axe (X) du moteur (1), et entraine les aubages amont (12) par l'intermédiaire d'une liaison pivot (24).

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. II 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 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 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 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.

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 constante, 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, dans lequel : - l’un des flasques avant ou arrière comprend une partie mobile en rotation autour de l’axe du moteur, qui s’étend dans le prolongement dudit flasque, et - chaque aubage amont est fixé solidairement à la partie mobile par l’intermédiaire d’une liaison pivot d’axe perpendiculaire à la partie mobile et à l’autre des flasques avant ou arrière, de sorte que les aubages amont sont mobiles en rotation autour de l’axe de la liaison pivot par rapport à la partie mobile.

Certains caractéristiques préférées mais non limitative du diffuseur décrit ci-dessus sont les suivantes : - la partie mobile s’étend en amont de l’un des flasques dans le sens de l’écoulement du flux gazeux dans le diffuseur, au droit d’un bord d’attaque des aubages amont, - le diffuseur comprend en outre au moins un vérin, adapté pour mettre la partie mobile en rotation autour de l’axe du moteur, - le diffuseur comprend deux vérins, adaptés pour mettre la partie mobile en rotation autour de l’axe du moteur de façon synchronisée, - l’au moins un vérin est fixé sur une face externe du flasque avant ou du flasque arrière ou sur le carter du moteur, - chaque aubage est en outre fixé au flasque avant et/ou au flasque arrière par l’intermédiaire d’une liaison pivot glissant d’axe perpendiculaire aux flasques avant et arrière, le pivot glissant étant mobile en rotation autour de son axe et mobile en translation entre les flasque avant et arrière, - chaque aubage amont est fixé à chacun des flasques avant et arrière à l’aide d’une liaison pivot glissant, et - la liaison pivot glissant est fixée dans une zone adjacente à un bord de fuite de l’aubage amont. L’invention propose également un compresseur radial ou mixte d’un moteur comprenant un tel diffuseur, ainsi qu’un moteur comprenant un tel 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 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 diffuseur radial conforme à l’invention dans une première position, sur laquelle une partie des éléments internes au diffuseur sont visibles en transparence,

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 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 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 radialement autour de l’axe X du moteur selon sa circonférence, qui s’étendent entre des faces internes d’un flasque annulaire avant 5a et d’un flasque annulaire arrière 5b, centrés sur l’axe X du moteur 1.

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 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’orienter l’écoulement du flux gazeux F dans le diffuseur 5. 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.

Chaque aubage amont 12 comprend, de manière connue, un bord d’attaque 12a disposé en regard de l’écoulement de gaz F, un bord de fuite 12b opposé au bord d’attaque 12a, une paroi latérale d’extrados et une paroi latérale d’intrados qui relient le bord d’attaque 12a au bord de fuite 12b.

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, l’un des flasques avant 5a ou arrière 5b est divisé en une première partie 20, qui est mobile en rotation autour de l’axe X du moteur 1, et une deuxième partie 22, qui est fixe par rapport audit axe X. Par ailleurs, les aubages amont 12 sont en porte à faux entre les flasques avant 5a et arrière 5b et sont fixés solidairement à la partie mobile 20 à l’aide de pivots 24 de telle manière qu’ils sont mobiles entre les flasques avant 5a et arrière 5b.

Dans ce qui suit, l’invention sera décrite dans le cas où la partie mobile 20 s’étend dans le prolongement du flasque avant 5a. Ceci n’est cependant pas limitatif, dans la mesure où la partie mobile 20 pourrait tout aussi bien s’étendre dans le prolongement du flasque arrière 5b.

Ici, la partie mobile 20 correspond à une partie amont du flasque avant 5a qui s’étend en regard du bord d’attaque 12a des aubages amont 12, tandis que la partie fixe 22 correspond à une partie aval du flasque avant 5a qui s’étend en regard des aubages aval 14 et du reste des aubages amont 12.

Chaque aubage amont 12 est fixé solidairement à la partie mobile 20 dans une région adjacente à son bord d’attaque 12a par l’intermédiaire d’une liaison pivot 24, dont l’axe 23 s’étend perpendiculairement aux flasque arrière 5b et à la partie mobile 20. L’aubage amont 12 est donc mobile en rotation autour de l’axe 25 de la liaison pivot 24 par rapport à la partie mobile 20 du flasque 5a. 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 le bord d’attaque 12a des aubages amont 12 et le flasque arrière 5b. Ainsi, la rotation de la partie mobile 20 autour de l’axe 25 entraîne la rotation du bord d’attaque 12a de l’aubage amont 12 autour dudit axe 25.

Dans le cas d’un diffuseur radial, l’axe 25 de rotation du pivot 24 est sensiblement parallèle à l’axe X du moteur 1.

Chaque aubage amont 12 est en outre fixé dans une région adjacente à son bord de fuite 12b aux flasques avant 5a et/ou arrière 5b par l’intermédiaire d’une liaison pivot glissant 26, dont l’axe 27 s’étend perpendiculairement aux flasques arrière 5b et avant 5b. Par pivot glissant, on comprendra ici un pivot mobile en rotation autour de son axe et susceptible de se déplacer le long d’une ligne de déplacement s’étendant dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation du pivot. Ici, le pivot glissant 26 est mobile en rotation autour de son axe 27 et mobile en translation entre les flasque 5a, 5b, afin de permettre aux aubages amont 12 de suivre le mouvement de la partie mobile 20 du flasque avant 5a. A tout moment, l’axe 27 du pivot glissant reste donc perpendiculaire aux flasques 5a, 5b. De préférence, l’aubage amont 12 est fixé à chacun des flasques avant 5a et arrière 5b à l’aide d’un tel pivot glissant 26, comme illustré sur les figures annexées, afin d’améliorer le mouvement de l’aubage amont 12. Les axes 27 des deux pivots glissants 26 sont alors de préférence confondus. Chaque aubage amont 12 comprend alors un pivot 24 au niveau de son bord d’attaque 12a et deux pivots glissants 26 au niveau de son bord de fuite 12b.

Optionnellement, le flasque avant 5a et/ou le flasque arrière 5b peut comprendre une gorge 28 formée dans sa surface interne adaptée pour recevoir le(s) pivot(s) glissant(s) 26 et le(s) guider lors du mouvement de l’aubage amont 12 dans le diffuseur 5. En variante, le(s) pivot(s) glissant(s) 26 peu(ven)t être en contact simple contre les flasques 5a, 5b.

La position des pivots 24 et des pivots glissants 26 peut être ajustée selon le mouvement souhaité pour les aubages amont 12 dans le diffuseur 5, en écartant ou en rapprochant les pivots 24 et les pivots glissants 26 des bords d’attaque 12a et des bords de fuite 12b. Ainsi, dans l’exemple de réalisation illustré sur les figures, les pivots 24 sont fixés au droit du bord d’attaque 12a de l’aubage amont 12, tandis que les pivots glissants 26 sont fixés à distance de leur bord de fuite 12b (en direction de leur bord d’attaque 12a). En variante, les pivots 24 pourraient être à distance du bord d’attaque 12a (en direction du bord de fuite 12b) et/ou tandis que les pivots glissants 26 pourraient être plus éloignés encore du bord de fuite 12b des aubages 12 ou au contraire au droit de celui-ci.

Toutefois, quelle que soit la position des pivots 24 et des pivots glissants 26 sur les aubages amont 12, les pivots 24 et les pivots glissants 26 sont de préférence disposés au même endroit sur chaque aubage amont 12 du diffuseur 5, afin de respecter la symétrie axiale autour de l’axe X du moteur 1.

La partie mobile 20 du flasque 5a peut être actionnée 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 la partie mobile 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. De préférence, le vérin 30 est fixé en dehors du diffuseur 5, soit sur la surface externe 6 du flasque 5a, afin de ne pas perturber l’écoulement du flux gazeux F dans le diffuseur 5.

De plus, le système d’actionnement peut comprendre plusieurs vérins 30, par exemple deux vérins 30, adaptés pour actionner la partie mobile 20 de façon synchronisée et orienter les aubages amont 12 des pales à calage variable.

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 5 adaptées à tous les régimes moteur. En particulier, les calages les plus fermés permettront une 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 amont 12 dépourvus de capacité de rotation, et donc positionnés de façon à obtenir un compromis performance de compression et marge au pompage.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS

   1. Compresseur (2) radiai ou mixte d’un moteur (1) comprenant un diffuseur (5) comprenant : - un fiasque 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, ie compresseur (2) étant caractérisé en ce que : - l’un des fiasques avant (5a) ou arrière (5b) comprend une partie mobile (20) en rotation autour de l’axe (X) du moteur (1), qui s’étend dans ie prolongement dudit flasque (5a, 5b), et - chaque aubage amont (12) est fixé solidairement à la partie mobile (20) par l’intermédiaire d’une liaison pivot (24) d'axe (23) perpendiculaire à la partie mobile (20) et à l’autre des flasques avant (5a) ou arrière (5b), de sorte que les aubages amont (12) sont mobiles en rotation autour de l’axe (23) de la liaison pivot (24) par rapport à la partie mobile (20).
2. 2. Compresseur (2) selon la revendication 1, dans lequel la partie mobile (20) s’étend en amont de l’un des flasques (5a, 5b) dans le sens de l’écoulement du flux gazeux (F) dans le diffuseur (5), au droit d’un bord d’attaque (12a) des aubages amont (12).
3. 3. Compresseur (2) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le diffuseur (5) comprend en outre au moins un vérin (30), adapté pour mettre la partie mobile (20) en rotation autour de l’axe (X) du moteur (1).
4. 4. Compresseur (2) selon la revendication 3, dans lequel le diffuseur (5) comprend deux vérins (30), adaptés pour mettre la partie mobile (20) en rotation autour de l’axe (X) du moteur (1) de façon synchronisée.
5. 5. Compresseur (2) selon l’une des revendications 3 ou 4, dans lequel l’au moins un vérin est fixé sur une face externe (6) du fiasque avant (5a) ou du fiasque arrière (5b) ou sur le carter (2) du moteur (1 ).
6. 6. Compresseur (2) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel chaque aubage est en outre fixé au flasque avant (5a) et/ou au flasque arrière (5b) par l’intermédiaire d’une liaison pivot glissant (26) d’axe (27) perpendiculaire aux flasques avant (5a) et arrière (5b), le pivot glissant (26) étant mobile en rotation autour de son axe (27) et mobile en translation entre les fiasque avant (5a) et arrière (5b).
7. 7. Compresseur (2) selon la revendication 6, dans lequel chaque aubage amont (12) est fixé à chacun des flasques avant (5a) et arrière (5b) à l’aide d’une liaison pivot glissant (26).
8. 8. Compresseur (2) selon l’une des revendications 6 ou 7, dans lequel la liaison pivot glissant (26) est fixée dans une zone adjacente à un bord de fuite (12b) de l’aubage amont (12),