FR3015589A1 - Turbomachine a double compresseur axial - Google Patents

Abstract

Turbomachine, comportant au moins deux compresseurs axiaux (40, 41, 42), chaque compresseur axial comportant un aubage de rotor (48, 49, 52), caractérisée en ce que les aubages de rotor des compresseurs axiaux sont superposés radialement.

Description

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une turbomachine à au moins deux compresseurs axiaux.

ETAT DE L'ART Une turbomachine comprend en général un compresseur axial (c'est-à-dire à entrée et sortie axiales) à plusieurs étages de compression. Ce type de compresseur est bien adapté aux turbomachines de grande puissance telles que les turbomoteurs, car avec plusieurs étages, il est possible d'obtenir un taux de compression élevé. Certaines turbomachines sont équipées de compresseur centrifuge ou d'un étage de compression centrifuge. L'intérêt d'un compresseur centrifuge par rapport à un compresseur axial à plusieurs étages est sa simplicité, sa robustesse, son rendement élevé, et son faible encombrement axial, ce qui est avantageux pour certaines applications Cependant, un compresseur centrifuge a un taux de compression relativement limité qui limite son utilisation à des turbomachines de faible puissance. Lorsqu'une turbomachine est équipée d'un compresseur centrifuge à la suite des étages d'un compresseur axial, le compresseur centrifuge permet de fournir une compression supplémentaire avant la chambre de combustion. La suralimentation du compresseur centrifuge par le compresseur axial permet d'obtenir un gain de taux de compression pour la même vitesse de rotation.

Une autre architecture pour augmenter le taux de compression consiste à équiper la turbomachine d'un grand nombre d'étages de compresseur axial, jusqu'à dix-sept dans un cas particulier. Ceci permet aussi d'obtenir un taux de compression relativement élevé. Cependant, cette solution présente un inconvénient majeur qui est 30 notamment son encombrement axial important et sa masse.

La présente invention propose une solution simple, efficace et économique à au moins une partie des problèmes des technologies antérieures. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention propose une turbomachine, comportant au moins deux compresseurs axiaux, chaque compresseur axial comportant un aubage de rotor, caractérisée en ce que les aubages de rotor des compresseurs axiaux sont superposés radialement. L'invention présente un net avantage par rapport à l'art antérieur car elle permet d'équiper une turbomachine avec au moins deux compresseurs axiaux tout en limitant son encombrement axial. Cela est rendu possible par la superposition radiale des aubages de rotor des compresseurs axiaux qui ne sont donc pas disposés axialement l'un derrière l'autre (comme dans la technique antérieure) mais radialement l'un autour de l'autre. La turbomachine comprend ainsi deux compresseurs axiaux, respectivement radialement interne et externe. Avantageusement, les compresseurs comprennent des entrées axiales qui sont situées sensiblement dans un même plan transversal par rapport à l'axe longitudinal de la turbomachine, et/ou des sorties axiales qui sont situées sensiblement dans un autre même plan transversal par rapport à cet axe longitudinal. La turbomachine comprend de préférence au moins une roue formée d'une seule pièce avec au moins deux parois annulaires coaxiales, respectivement interne et externe, reliées l'une à l'autre par les aubages de rotor du compresseur interne, la paroi externe étant en outre reliée aux extrémités radialement internes d'autres aubages de rotor, tels que des aubages de rotor du compresseur externe (ou d'un compresseur intermédiaire). La turbomachine peut comprendre au moins deux roues de ce type. Par opposition à la technique antérieure, la ou chaque roue fait partie des deux ou plus compresseurs axiaux car elles portent les aubages de rotor de ces compresseurs, ce qui limite la masse globale de ces compresseurs. De préférence, la ou chaque roue comporte un unique poireau destiné à reprendre les efforts centrifuges des compresseurs. Les aubages du compresseur interne sont de préférence renforcés (par exemple surépaissis) par rapport à ceux du compresseur externe, pour reprendre les efforts centrifuges des aubages du compresseur externe. Les extrémités radialement externes desdits autres aubages de rotor (tels que les aubages de rotor du compresseur externe ou intermédiaire) peuvent être entourées par une paroi annulaire de stator ou être reliées à une autre paroi annulaire de la roue. Les extrémités radialement externes desdits autres aubages de rotor sont reliées par ladite autre paroi annulaire à d'autres aubages de rotor, tels que des aubages de rotor du compresseur externe, dont les extrémités radialement externes peuvent être entourées par une paroi annulaire de stator ou être reliées à une autre paroi annulaire de la roue. La liaison des extrémités externes des aubages du compresseur externe à une autre paroi, qui est ainsi rendue solidaire de la roue, a pour avantage de supprimer les problématiques de fuite aux interfaces rotor/stator de la roue. La sortie du compresseur externe peut être reliée (directement ou par l'intermédiaire d'un compresseur intermédiaire) à l'entrée du compresseur interne et la sortie du compresseur interne peut alimenter la chambre de combustion de la turbomachine. Dans ce cas, les compresseurs sont montés en série, le flux d'air sortant d'un premier compresseur alimentant le second compresseur. La turbomachine comprend de préférence un système annulaire d'alimentation des compresseurs, ce système comportant deux viroles annulaires coaxiales, respectivement interne et externe, définissant entre elles une veine d'alimentation du compresseur externe, une rangée annulaire de bras radiaux tubulaires qui traversent cette veine et dont les extrémités radialement internes débouchent dans une veine d'alimentation du compresseur interne, et un organe annulaire de raccordement de la sortie du compresseur externe aux extrémités radialement externes des bras radiaux. Les bras précités ont de préférence un profil aérodynamique et peuvent chacun remplir la fonction de redresseur d'un flux d'air provenant de l'amont et destiné à alimenter la veine du compresseur externe. L'organe et les bras peuvent être raccordés par des moyens ayant un profil aérodynamique et qui sont de préférence adaptés à la direction de la vitesse du flux d'air s'écoulant dans l'organe. Les extrémités radialement internes des bras peuvent avoir une orientation axiale ou tangentielle. Dans ce dernier cas, leur orientation est déterminée en fonction de la vitesse tangentielle souhaitée du flux d'air destiné à alimenter le compresseur interne. La présente invention concerne également un système annulaire d'alimentation de compresseurs axiaux pour une turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend deux viroles annulaires coaxiales, respectivement interne et externe, définissant entre elles une veine d'alimentation d'un compresseur externe, une rangée annulaire de bras radiaux tubulaires qui traversent cette veine et dont les extrémités radialement internes débouchent dans une veine d'alimentation d'un compresseur interne, et un organe annulaire de raccordement de la sortie du compresseur externe aux extrémités radialement externes des bras radiaux. De préférence, l'organe annulaire comprend une partie aval coudée sensiblement en C dont les entrée et sortie débouchent axialement vers l'amont, et une partie longitudinale amont qui s'étend entre la sortie de la partie aval et les extrémités radialement externes des bras radiaux. La présente invention concerne encore une roue de compresseurs axiaux pour une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle est formée d'une seule pièce avec deux parois annulaires coaxiales, respectivement interne et externe, reliées l'une à l'autre par les aubages de rotor d'un compresseur axial interne, la paroi externe étant en outre reliée aux extrémités radialement internes des aubages de rotor d'un compresseur axial externe.

DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbomachine selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une demi-vue schématique en coupe axiale et en perspective de compresseurs axiaux pour une turbomachine selon l'invention ; - la figure 3 est une autre vue schématique en coupe et en perspective des compresseurs de la figure 2, vus de l'amont ; et - la figure 4 est une autre vue schématique en perspective des compresseurs de la figure 2, vus de l'amont et de côté.

DESCRIPTION DETAILLEE On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une turbomachine 10 telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, cette turbomachine 10 comprenant notamment d'amont en aval (de gauche à droite sur le dessin), dans le sens d'écoulement des gaz dans le moteur, une soufflante, un compresseur 12, une chambre de combustion, une turbine et une tuyère d'éjection des gaz de combustion. Le compresseur 12 comprend plusieurs étages axiaux 14 et un dernier étage centrifuge 16. Les étages de compression axiaux 14 (ou le compresseur axial) comprend des roues aubagées de rotor 18 disposées coaxialement les unes derrière les autres et entre lesquelles sont intercalées des rangées d'aubes de stator 20. L'étage ou compresseur centrifuge 16 comprend un rouet 22 définissant une entrée d'air 24 orientée axialement et une sortie d'air 26 orientée radialement vers l'extérieur. Le rouet 22 tourne à l'intérieur d'une paroi annulaire de stator 28 qui délimite avec le rouet la veine 30 de compression centrifuge.

Un ensemble comprenant un redresseur annulaire 32 et un diffuseur annulaire 34 est monté en aval du compresseur centrifuge 16, et comprend une entrée radiale alignée avec la sortie 26 du compresseur 16 et une sortie orientée vers l'aval pour l'alimentation en air comprimé de la chambre de combustion (non représentée). La figure 1 représente la technique antérieure à l'invention. La présente invention diffère de cette technique antérieure notamment en ce qu'elle comprend au moins deux compresseurs axiaux dont les aubages de rotor sont superposés radialement.

Les figures 2 à 4 représentent un mode de réalisation dans lequel les aubages de rotor de trois compresseurs axiaux 40, 41, 42 sont superposés radialement. Dans la figure 2, l'amont est à droite et donc l'aval à gauche. Ces compresseurs 40, 41, 42 peuvent équiper une turbomachine comportant un autre compresseur axial (ou d'autres étages de compression axiaux), de sorte que les compresseurs axiaux superposés radialement soient montés en aval du compresseur axial, ou une turbomachine ne comportant pas d'autre compresseur axial, de sorte que les compresseurs axiaux superposés radialement soient montés en aval de la soufflante de la turbomachine. Dans l'exemple représenté, les compresseurs axiaux 40, 41, 42 sont montés en série, c'est-à-dire que la sortie d'un des compresseurs axiaux 41, 42 alimente un autre des compresseurs axiaux 40, 41. C'est ici la sortie du compresseur radialement externe 42 qui alimente le compresseur radialement intermédiaire 41 qui alimente lui-même le compresseur radialement interne 40. Les compresseurs 40, 41, 42 comprennent ici chacun deux étages comportant chacun une roue 44 suivie d'un redresseur 45. Les compresseurs 40, 42 comprennent donc deux roues 44 et deux redresseurs 45.

Chaque redresseur 45 comprend quatre parois 45a, 45b, 45c, 45d qui s'étendent les unes autour des autres, les parois 45a et 45d étant reliées entre elles par des aubages de stator qui traversent les parois 45b et 45c.

Chaque roue 44 comprend typiquement un disque dont la périphérie interne a en section une forme de poireau, qui est destiné à reprendre des efforts centrifuges des compresseurs 40, 41, 42. Chaque roue 44 est ici formée d'une seule pièce avec trois parois annulaires coaxiales 46a, 46b, 46c, s'étendant les unes autour des autres et reliées entre elles par des aubages de rotor 48, 49 des compresseurs interne 40 et intermédiaire 41. Plus précisément, les aubages de rotor 48 du compresseur interne 40 relient la paroi ou plate-forme annulaire interne 46a à la paroi intermédiaire 46b, les parois 46a, 46b définissant entre elles la veine de compression 50 du compresseur interne. Les aubages de rotor 49 du compresseur intermédiaire 41 relient les parois intermédiaire 46b et externe 46c, ces parois 46b, 46c définissant entre elles la veine de compression 51 du compresseur intermédiaire 41. La paroi externe 46c est reliée aux extrémités radialement internes des aubages de rotor 52 du compresseur externe 42, ces aubages de rotor 52 étant entourés par un prolongement amont de la paroi externe 45d du redresseur 45 monté en aval de la roue 44. Les parois 46c, 45d définissent entre elles la veine de compression 53 du compresseur externe 42. Les aubages de rotor 48 peuvent être conçus et renforcés pour reprendre les efforts centrifuges qui s'appliquent dans les compresseurs intermédiaire 41 et externe 42. Les parois 46a, 46b et 46c ont sensiblement toutes la même forme, à savoir une forme sensiblement cylindrique ou tronconique, la paroi interne 46a étant ici surépaissie pour former une plate-forme. Les entrées 56 des compresseurs 40, 41, 42 sont alignées dans un même plan transversal P1, perpendiculaire à l'axe longitudinal de la turbomachine. Les sorties 58 des compresseurs 40, 41, 42 sont alignées dans un même autre plan transversal P2, perpendiculaire à l'axe longitudinal de la turbomachine. Les compresseurs 40, 41, 42 sont alimentés en air par un système d'alimentation 60 visible aux figures 2 à 4. Ce système 60 comporte des premiers moyens définissant une veine 62 d'alimentation du compresseur externe 42 avec de l'air provenant de l'amont de la turbomachine (d'un compresseur axial ou de la soufflante de la turbomachine), des seconds moyens définissant une veine 64 d'alimentation du compresseur intermédiaire 41 à partir de l'air délivré par le compresseur externe 42, des troisièmes moyens définissant une veine 66 d'alimentation du compresseur interne 40 à partir de l'air délivré par le compresseur intermédiaire 41, et des moyens de raccordement d'une part de la sortie du compresseur externe 42 auxdits seconds moyens et d'autre part de la sortie du compresseur intermédiaire auxdits troisième moyens.

La veine 62 d'alimentation du compresseur externe 42 est délimitée par deux viroles 68, 70 sensiblement cylindriques s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre, ces viroles étant alignées respectivement avec les extrémités amont des parois 46c, 45d (de l'étage de compression amont) définissant la veine 53 du compresseur externe. Les flèches 72 représentent le flux d'air d'alimentation de cette veine 53. La veine 62 d'alimentation du compresseur externe 42 est traversée par une rangée annulaire de bras tubulaires radiaux 74. Les bras 74 ont un profil aérodynamique pour limiter les pertes de charge dans la veine 53. De préférence, ces bras 74 définissent en amont des surfaces dites travaillantes de façon à ce que chaque bras remplisse une fonction de redresseur pour le flux d'air sortant de la roue située directement en amont. Les extrémités radialement internes des bras 74 sont situées à l'intérieur de la virole interne 68 et sont raccordées à un conduit annulaire 76 qui est situé en amont des compresseurs interne et intermédiaire 40, 41.

Dans l'exemple représenté, le conduit 76 est coudé, sensiblement à angle droit, son extrémité radialement interne étant orientée axialement vers l'aval. Une paroi annulaire 83 est montée dans le conduit 76, entre les parois interne et externe de celui-ci, et définit avec ces parois les veines 66, 64 (respectivement, radialement interne et externe) précitées d'alimentation des compresseurs interne 40 et intermédiaire 41. Cette paroi 83 se prolonge à l'intérieur des bras 74 et définit à l'intérieur de chacun d'entre eux deux passages sensiblement radiaux, respectivement amont et aval, dont les extrémités radialement externes sont orientées axialement vers l'aval et dont les extrémités radialement internes sont reliées aux veines 66, 64, respectivement. Les extrémités radialement externes des bras 74 sont situées à l'extérieur de la virole externe 70 et sont raccordées à la sortie d'un organe annulaire 78 dont l'entrée est raccordée aux sorties des compresseurs intermédiaire et externe 41, 42, de façon à ce que les gaz sortant de ces compresseurs circulent dans les passages précités des bras 74 et les veines 64, 66 d'alimentation des compresseurs interne et intermédiaire 40, 41. Les flèches 80a, 80b, 82a, 82b représentent le flux d'air (80a, 80b) sortant de la veine 53 du compresseur externe 42 et alimentant la veine 51 du compresseur intermédiaire 41, et le flux d'air (82a, 82b) sortant de la veine 51 du compresseur intermédiaire 41 et alimentant la veine 50 du compresseur interne 40. Dans l'exemple représenté, les veines 64, 66 du conduit 76 ont leurs sorties orientées de sorte que les flux d'air 80b, 82b alimentant les veines 50, 51 soient orientés sensiblement axialement. En variante, ces sorties peuvent être agencées pour que les flux d'air 80b, 82b aient une orientation tangentielle. La configuration du conduit 76 permet ainsi de maîtriser la vitesse tangentielle des flux d'air entrant dans les veines 50, 51. Les parties coudées précitées des bras 74 peuvent ainsi avoir chacun une orientation tangentielle et non pas axiale.

Les figures 2 à 4 montrent la zone 90 de raccordement des bras 74 à l'organe 78. Les deux parois latérales en regard de deux bras 74 adjacents se réunissent à leurs extrémités radialement externes pour former un bord longitudinal 92 de séparation de chaque flux d'air 80a, 82a en une pluralité de flux d'air 80b, 82b circulant dans les passages des bras 74 (figure 2). La zone de raccordement 90 est de préférence adaptée à la direction de la vitesse du flux d'air sortant de l'organe 78. Les bords 92 et les extrémités radialement externes des parois latérales des bras ont de préférence un profil aérodynamique. Comme cela est visible en figure 4, les bras 74 sont évasés vers l'extérieur et vers l'aval, leurs sections de passage s'élargissant radialement de l'intérieur vers l'extérieur et axialement d'amont en aval. L'organe 78 comprend une partie aval 96 coudée sensiblement en C dont les entrée et sortie débouchent axialement vers l'amont, et une partie longitudinale amont 98 qui s'étend entre la sortie de la partie aval 96 et l'entrée du système 60. L'organe 78 comprend trois parois annulaires coaxiales, respectivement interne 100, intermédiaire 102, et externe 104, qui s'étendent sur toute la longueur des parties 96 et 98. La paroi interne 100 a une extrémité (aval) alignée avec l'extrémité aval de la paroi externe 45d du second redresseur (ou redresseur aval) 45 et son extrémité opposée (amont) qui est reliée à l'extrémité radialement interne des extrémités radialement externes des bras 74. La paroi intermédiaire 102 a son extrémité aval alignée avec l'extrémité aval de la paroi 45c du second redresseur 45 et son extrémité amont qui est reliée à l'extrémité radialement externe de la paroi 83. La paroi externe 104 a son extrémité aval alignée avec l'extrémité aval de la paroi 45b du second redresseur 45 et son extrémité amont qui est reliée à l'extrémité radialement externe des extrémités radialement externes des bras 74. Le flux d'air 80a circule entre les parois 100, 102 et alimente les passages aval des bras 74, et le flux d'air 80b circule entre les parois 102, 104 et alimente les passages amont des bras 74. Un élément annulaire 110 formant diffuseur est monté en sortie du compresseur interne 40 et comprend deux parois annulaires coaxiales, respectivement radialement interne et externe, qui sont alignées respectivement avec les extrémités aval des parois 45a, 45b du second redresseur 45 ou redresseur aval, pour l'évacuation des gaz sortant du compresseur interne (flèche 112). Dans une variante non représentée de réalisation de l'invention, les 10 aubages de rotor de deux ou de plus de trois compresseurs axiaux sont superposés radialement. Ces compresseurs peuvent comprendre un ou plusieurs étages de compression. Dans une autre variante non représentée, la turbomachine comprendrait N étages de M compresseurs centrifuges et/ou axiaux 15 superposés radialement à la suite, par exemple cinq étages de deux compresseurs axiaux superposés radialement suivis de deux compresseurs centrifuges superposés radialement. On pourrait connecter la sortie du compresseur centrifuge externe à l'entrée d'un compresseur axial externe dont la sortie serait ensuite reliée à l'entrée d'un compresseur 20 centrifuge interne. Autrement dit, le principe de M rebouclages interne- externe ne se ferait pas nécessairement sur l'entrée/sortie d'un même compresseur (axial ou centrifuge) mais pourrait s'appliquer à un ensemble de N étages de compresseurs axiaux et/ou centrifuges.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Turbomachine, comportant au moins deux compresseurs axiaux (40, 41, 42), chaque compresseur axial comportant un aubage de rotor (48, 49, 52), caractérisée en ce que les aubages de rotor des compresseurs axiaux sont superposés radialement.
2. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les compresseurs (40, 41, 42) comprennent des entrées axiales (56) qui sont situées sensiblement dans un même plan transversal (P1) par rapport à l'axe longitudinal de la turbomachine, et/ou des sorties axiales (58) qui sont situées sensiblement dans un autre même plan transversal (P2) par rapport à cet axe longitudinal.
3. 3. Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une roue (44) formée d'une seule pièce avec au moins deux parois annulaires coaxiales, respectivement interne (46a) et externe (46b), reliées l'une à l'autre par les aubages de rotor (49) du compresseur interne (40), la paroi externe étant en outre reliée aux extrémités radialement internes d'autres aubages de rotor (49).
4. 4. Turbomachine selon la revendication 3, caractérisée en ce que les extrémités radialement externes desdits autres aubages de rotor (49) sont entourées par une paroi annulaire (45d) de stator ou sont reliées à une autre paroi annulaire (46c) de la roue (44).
5. 5. Turbomachine selon la revendication 4, caractérisée en ce que les extrémités radialement externes desdits autres aubages de rotor (49) sont reliées par ladite autre paroi annulaire (46c) à d'autres aubages de rotor (52).
6. 6. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la sortie (58) du compresseur externe (42) est reliée à l'entrée (56) du compresseur interne (40), et la sortie du compresseur interne alimente la chambre de combustion de la turbomachine.
7. 7. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il comprend un système annulaire (60) d'alimentation des compresseurs (40, 41, 42), ce système comportant deux viroles annulaires coaxiales, respectivement interne (68) et externe (70), définissant entre elles une veine (62) d'alimentation du compresseur externe, une rangée annulaire de bras radiaux (74) tubulaires qui traversent cette veine et dont les extrémités radialement internes débouchent dans une veine (66) d'alimentation du compresseur interne, et un organe annulaire (78) de raccordement de la sortie (58) du compresseur externe aux extrémités radialement externes des bras radiaux.
8. 8. Turbomachine selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'organe annulaire (78) comprend une partie aval (96) coudée sensiblement en C dont les entrée et sortie débouchent axialement vers l'amont, et une partie longitudinale amont (98) qui s'étend entre la sortie de la partie aval et les extrémités radialement externes des bras radiaux (74).
9. 9. Système annulaire (60) d'alimentation de compresseurs axiaux (40, 41, 42) pour une turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend deux viroles annulaires coaxiales, respectivement interne (68) et externe (70), définissant entre elles une veine (62) d'alimentation d'un compresseur axial externe, une rangée annulaire de bras radiaux (74) tubulaires qui traversent cette veine et dont les extrémités radialement internes débouchent dans une veine (66) d'alimentation d'un compresseur axial interne, et un organe annulaire (78) de raccordement de la sortie du compresseur externe aux extrémités rad ialement externes des bras radiaux.
10. 10. Roue (44) de compresseurs axiaux (40, 41, 42) pour une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle est formée d'une seule pièce avec au moins deux parois annulaires coaxiales, respectivement interne (46a) et externe (46b), reliées l'une à l'autre par des aubages de rotor (48)d'un compresseur axial interne (40), la paroi externe étant en outre reliée aux extrémités radialement internes des aubages de rotor (49) d'un compresseur axial externe (41).