FR3025260B1 - Compresseur centrifuge a resistance amelioree - Google Patents

Abstract

Le présent exposé concerne un compresseur centrifuge comprenant un rouet (20), un diffuseur radialement externe par rapport au rouet et dont une entrée est située à la sortie du rouet, et un guide de ventilation situé en regard de la face arrière du rouet de façon à former, avec la face arrière du rouet, un conduit de ventilation du rouet. Une extrémité distale (34) du guide de ventilation est séparée du diffuseur (42) par un espace (E).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION

Le présent exposé concerne un compresseur de turbomachine. Un tel compresseur peut équiper tout type de turbomachine, terrestre ou aéronautique et, notamment, une turbomachine d'avion.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE

Plus précisément, le présent exposé concerne un compresseur de turbomachine comprenant un rouet, un diffuseur radialement externe par rapport au rouet et dont une entrée est située à la sortie du rouet, et un guide de ventilation situé en regard de la face arrière du rouet de façon à former, avec la face arrière du rouet, un conduit de ventilation du rouet.

Dans le présent exposé, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz (de l'amont vers l'aval) à travers le compresseur.

On appelle axe du compresseur, l'axe de rotation du rotor (c'est-à-dire du rouet) du compresseur. La direction axiale correspond à la direction de l'axe du compresseur et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe et coupant cet axe. De même, un plan axial est un plan contenant l'axe du compresseur et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet axe. Une circonférence s'entend comme un cercle appartenant à un plan radial et dont le centre appartient à l'axe du compresseur. Une direction tangentielle ou circonférentielle est une direction tangente à une circonférence ; elle est perpendiculaire à l'axe du compresseur mais ne passe pas par l'axe.

Sauf précision contraire, les adjectifs « avant » et « arrière » sont utilisés en référence à la direction axiale de sorte que la partie avant d'un élément est, suivant la direction axiale (c'est-à-dire axialement), plus proche de l'entrée du compresseur que la partie arrière du même élément.

Enfin, sauf précision contraire, les adjectifs « intérieur », « interne » et « proximal » d'une part, et « extérieur », « externe » et « distal » d'autre part, sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure (ou interne ou proximal) d'un élément est, suivant une direction radiale (c'est-à-dire radialement), plus proche de l'axe du compresseur que la partie extérieure (ou externe ou distale) du même élément.

Le diffuseur est une pièce récupérant, en sortie du rouet, le gaz (notamment de l'air) comprimé par le passage dans le rouet. Le diffuseur peut être muni de pales radiales de redressement visant à redresser le flux sortant du rouet. L'entrée du diffuseur, par exemple au niveau des bords d'attaque desdites pales, est donc souvent une zone particulièrement sensible aux contraintes qui peuvent s'y accumuler. Par exemple, des contraintes excessives peuvent entraîner une apparition de criques au bord d'attaques des pales. Ces contraintes sont très dépendantes du niveau de température du diffuseur.

Le conduit de ventilation du rouet effectue un soutirage d'une partie du flux sortant du rouet pour le diriger vers la face arrière du rouet afin de la refroidir. Ce soutirage d'un flux haute pression sollicite mécaniquement (excitations dynamiques) et thermiquement le guide de ventilation, qui transmet usuellement cette sollicitation au diffuseur. Cette sollicitation étant de plus transmise dans une zone sensible du diffuseur, il convient de la réduire.

Une solution naturelle à ce problème consiste à supprimer le guide de ventilation. Cependant, une telle solution n'est pas envisageable dans la mesure où le guide de ventilation a pour fonction de refroidir la face arrière du rouet et d'équilibrer les efforts axiaux du compresseur.

En outre, le débit dans le conduit de ventilation est très variable en fonction des phases de fonctionnement du compresseur. Ce débit dépend en effet d'une étanchéité en aval du conduit de ventilation. Il est donc difficile de maîtriser le niveau de contrainte dans le diffuseur.

PRÉSENTATION DE L'INVENTION

Le but de la présente invention est de remédier au moins substantiellement aux inconvénients mentionnés ci-dessus.

Ce but est atteint grâce au fait qu'une extrémité distale du guide de ventilation est séparée du diffuseur par un espace. L'espace laissé entre l'extrémité distale du guide de ventilation et le diffuseur permet de désolidariser et dissocier mécaniquement et thermiquement la zone du guide de ventilation qui est fortement sollicitée par le débit d'air dans le conduit de ventilation et l'entrée du diffuseur, qui est particulièrement sensible aux sollicitations mécaniques et thermiques.

Dans toute la suite, on considérera à titre d'exemple et par souci de simplification que le fluide est de l'air, mais un compresseur selon l'invention peut être utilisé pour comprimer d'autres fluides.

Une telle solution paraît contre-intuitive, dans la mesure où l'espace laissé entre le diffuseur et l'extrémité distale du guide de ventilation permet le passage de l'air. L'air passant dans l'espace est prélevé par exemple sur le débit dans le conduit de ventilation. Ce prélèvement d'air constitue une fuite dans le conduit de ventilation et diminue d'autant le débit circulant dans le conduit de ventilation. Ainsi, il serait légitime de penser que la présence dudit espace dégrade de manière rédhibitoire le refroidissement de la face arrière du rouet. De manière surprenante, les inventeurs de la présente invention ont montré, par des calculs de dimensionnement en deux ou trois dimensions, qu'un tel espace, à condition qu'il soit de taille raisonnable, pénalisait peu le refroidissement de la face arrière du rouet et améliorait beaucoup la tenue du diffuseur.

En outre, la solution apportée par l'invention est robuste dans la mesure où elle résout les problèmes rencontrés jusqu'ici de manière complètement indépendante du débit dans le conduit de ventilation.

Dans certains modes de réalisation, l'extrémité distale du guide de ventilation est radialement à l'extérieur du rouet. L'extrémité distale du guide de ventilation peut être radialement attenante à la sortie du rouet. Cette disposition de l'espace paraît contre-intuitive dans la mesure où, la pression étant maximale à la sortie du rouet, ce positionnement de l'extrémité distale du guide (et donc de l'espace) maximise la différence de pression de part et d'autre de l'espace. Ceci augmente donc, a priori, la fuite d'air à travers l'espace. Cependant, les inventeurs ont remarqué que les inconvénients de cette fuite a priori accrue étaient largement compensés par une grande diminution des contraintes dans le diffuseur, notamment grâce au rééquilibrage des pressions de part et d'autre du diffuseur et à la dissociation thermique entre le diffuseur et le guide de ventilation.

Dans certains modes de réalisation, le diffuseur et le guide de ventilation sont deux pièces distinctes et le guide de ventilation est fixé au diffuseur. Jusqu'ici, le guide de ventilation était souvent le prolongement d'une tôle du diffuseur, et formait donc une seule pièce avec le diffuseur. Dans l'optique de ménager un espace entre le diffuseur et l'extrémité distale du guide de ventilation, le fait que le diffuseur et le guide de ventilation soient deux pièces séparées facilite significativement la fabrication de ces pièces. En outre le guide de ventilation peut être fixé au diffuseur. Le guide de ventilation peut être fixé au diffuseur à distance de l'entrée du diffuseur et/ou à distance de l'extrémité distale du guide de ventilation. En particulier, le guide de ventilation peut être fixé au diffuseur à l'arrière du conduit de ventilation. La fixation n'est donc pas dans le conduit de ventilation du rouet, de sorte que la fixation ne perturbe pas la circulation dans le conduit de ventilation.

Dans certains modes de réalisation, les bords du diffuseur et du guide de ventilation donnant sur le conduit de ventilation sont dans le prolongement l'un de l'autre, de part et d'autre de l'espace. Dans le présent exposé, le « bord » désigne l'intersection entre un plan axial et une face du diffuseur et du guide de ventilation. Les bords donnant sur le conduit de ventilation appartiennent donc aux faces du guide de ventilation et du diffuseur du côté du conduit de ventilation. Dire que les bords sont dans le prolongement l'un de l'autre signifie que leurs tangentes respectives, au niveau des extrémités se faisant face de chaque côté de l'espace, sont sensiblement confondues. Lesdits bords peuvent être dans le prolongement l'un de l'autre, de part et d'autre de l'espace, sans pour autant que le diffuseur et le guide de ventilation soient nécessairement, dans leur ensemble, dans le prolongement l'un de l'autre.

Une marche entre le diffuseur et le guide de ventilation limiterait le débit circulant dans le conduit de ventilation. Dans les présents modes de réalisation, il n'y a pas de marche entre le diffuseur et le guide de ventilation : l'ensemble est donc aérodynamique (profilé), ce qui permet d'optimiser le débit dans le conduit de ventilation.

Dans certains modes de réalisation, pendant le fonctionnement du compresseur, le rapport d'une largeur transverse de l'espace sur une largeur transverse d'une partie distale du conduit de ventilation vaut au plus 0,7, de préférence au plus 0,69, de préférence au plus 0,68, de préférence au plus 0,67, de préférence au plus 0,66, de préférence au plus 0,65, de préférence au plus 0,6, de préférence au plus 0,5. Une largeur transverse est une largeur mesurée, dans un plan axial, perpendiculairement au flux qui traverse respectivement l'espace ou le conduit. Cette plage de valeurs permet une séparation suffisante entre le diffuseur et le guide de ventilation, tout en réduisant (voire en empêchant) les recirculations à l'arrière de l'espace. Ainsi, le rapport précité est mesuré pendant le fonctionnement du compresseur, étant entendu que ce ratio peut varier entre le fonctionnement et l'arrêt du compresseur compte tenu d'éventuels jeux de dilatation. En outre, le rapport précité est strictement positif pendant le fonctionnement du compresseur, ce qui traduit le fait qu'en fonctionnement, l'extrémité distale du guide de ventilation est séparée du diffuseur par l'espace mentionné ci-dessus.

Dans certains modes de réalisation, l'espace s'étend continûment sur toute la circonférence du guide de ventilation. En d'autres termes, l'espace peut faire le tour de l'axe de manière ininterrompue. L'espace peut être sensiblement annulaire.

Le présent exposé concerne également un compresseur centrifuge tel que précédemment décrit.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente une coupe partielle d'un compresseur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente un détail de la figure 1.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

La figure 1 représente une vue en coupe partielle d'un compresseur centrifuge 10 de turbomachine d'avion. Le compresseur 10 est en l'espèce un compresseur mono-étage, mais il pourrait s'agir de l'étage aval d'un compresseur multi-étages, notamment un compresseur haute-pression.

Le compresseur 10 comprend un rouet 20 comportant une pluralité de pales et configuré pour tourner autour d'un axe X, ce par quoi de l'air est entraîné et comprimé. Le rouet 20 a une face arrière 22.

En regard de la face arrière 22 du rouet est situé un guide de ventilation 30. Comme indiqué précédemment, le guide de ventilation 30 forme, avec la face arrière 22 du rouet, un conduit de ventilation 31 destiné notamment à maîtriser la température de la face arrière 22 du rouet en fonctionnement.

Le conduit de ventilation 31 comprend une partie distale 31a sensiblement orientée radialement, de section transversale Sa sensiblement constante. Dans un plan de coupe axial (suivant l'axe X du rouet 20), tel que le plan de la figure 2, la section Sa a une dimension L selon la direction axiale. La partie distale 31a est prolongée intérieurement d'une partie proximale 31b s'évasant en direction de l'axe X du rouet 20. La section transversale Sb de la partie proximale 31b est variable ; notamment, elle augmente en se rapprochant de l'axe X du rouet 20.

En outre, le compresseur 10 comprend un diffuseur 40. Le diffuseur 40 est radialement externe par rapport au rouet 20. Comme représenté par les flèches de la figure 1 qui illustrent la circulation normale de l'air dans le compresseur, une entrée du diffuseur 40 est située à la sortie du rouet 20. Le diffuseur 40 amène ensuite l'air vers d'autres parties de la turbomachine, comme cela est connu en soi par ailleurs.

Dans le présent mode de réalisation, le diffuseur comprend des pales de redresseur 44 destinées à redresser le flux d'air sortant du rouet 20 et entrant dans le diffuseur 40. Les bords d'attaque de ces pales 44 sont situés près de l'entrée du diffuseur, ce qui rend cette zone particulièrement sensible aux contraintes, notamment aux contraintes d'origine thermique et dynamique. Afin de diminuer la sollicitation thermomécanique du diffuseur 40, un espace E sépare le diffuseur 40 du guide de ventilation 30. Cet espace E sera décrit par la suite.

Dans le présent mode de réalisation, le diffuseur 40 et le guide de ventilation 30 sont deux pièces distinctes. Le guide de ventilation 30 comprend un bras de fixation 36 qui est fixé au diffuseur 40 à l'arrière du conduit de ventilation 31, en l'occurrence par un boulon 32. Ce mode de fixation définit une cavité 46 délimitée par le diffuseur 40, le bras de fixation 36 et le guide de ventilation 30. Comme on le verra plus clairement par la suite, la cavité 46 est ouverte par l'espace E.

La fixation du guide de ventilation 30 et du diffuseur 40 par une liaison, formée ici par le boulon 32, éloignée de l'entrée du diffuseur, permet d'atténuer substantiellement la transmission des sollicitations mécaniques et thermiques du guide de ventilation 30 vers le diffuseur 40.

La figure 2 est un détail de la figure 1 et représente en coupe le voisinage de l'espace E séparant le guide de ventilation 30 du diffuseur 40. Plus précisément, l'espace E sépare la paroi arrière 42 du diffuseur (au voisinage de l'entrée du diffuseur 40) de l'extrémité distale 34 du guide de ventilation. Comme représenté sur la figure 2, l'extrémité distale 34 du guide de ventilation 30 est radialement à l'extérieur du rouet 20.

Afin de rendre aussi aérodynamique que possible le passage entre le diffuseur 40 et le guide de ventilation 30 pour l'air sortant du rouet, dans un plan axial (tel que le plan de la figure 2), les bords du diffuseur 40 et du guide de ventilation 30 donnant sur le conduit de ventilation 31 sont dans le prolongement l'un de l'autre, de part et d'autre de l'espace E. En référence à la section de la figure 2, lesdits bords comprennent chacun une partie verticale (partie s'étendant radialement) et une partie biseautée (partie oblique par rapport à la partie verticale), la réunion de ces parties formant d'une part la surface avant de la paroi arrière 42 du diffuseur 40, d'autre part la surface avant de l'extrémité distale 34 du guide de ventilation. Ici, lesdits bords comprennent chacun une partie biseautée, les parties biseautées étant alignées. Ainsi, il n'y a pas de marche entre le guide de ventilation 30 et le diffuseur 40. De ce fait, on réduit la création de turbulences à l'entrée du conduit de ventilation, de façon à optimiser le champ de vitesses dans le conduit de ventilations pour assurer un bon refroidissement de la face arrière 22 du rouet.

Comme indiqué précédemment, dans un plan axial (tel que le plan de la figure 2), l'espace E a une section notée S, perpendiculairement au flux qui le traverse. La section S est suffisamment grande pour diminuer sensiblement les contraintes dans le diffuseur 40. Par ailleurs, la section S est suffisamment petite pour ne pas accroître démesurément la fuite d'air à travers l'espace E. De préférence, pendant le fonctionnement du compresseur, la hauteur ou largeur transverse (ici mesurée selon une direction radiale) H de l'espace E est du même ordre de grandeur que la largeur transverse (ici mesurée selon une direction axiale) L de la partie distale 31a du conduit de ventilation 31. Le ratio H/L vaut ici sensiblement 0,7. Le ratio S/Sa est sensiblement égal à 0,7 alors que S/Sb est compris entre 0 et environ 0,7.

Dans le présent mode de réalisation, la section perpendiculaire au flux qui le traverse (section transverse) est une section radiale (c'est-à-dire une section selon un plan radial), mais l'espace E pourrait ne pas s'étendre de manière rectiligne et/ou ne pas s'étendre selon une direction remarquable (axiale, radiale ou circonférentielle) du compresseur 10. Le fait de limiter la section de l'espace E permet d'éviter toute recirculation dans la cavité 46, ou du moins d'en minimiser les effets.

En outre, dans le présent mode de réalisation, l'espace E s'étend continûment sur toute la circonférence du guide de ventilation 30. Le diffuseur 40 et l'extrémité distale 34 du guide de ventilation 30 sont, ici, séparés par un espace E unique qui entoure circonférentiellement le guide de ventilation 30. L'espace E peut être continu et ininterrompu. Selon une variante, l'espace E peut être, sur certains secteurs angulaires, bouché par un matériau isolant (notamment un matériau isolant thermiquement et/ou mécaniquement, par exemple un matériau souple) réalisant une jonction entre le diffuseur 40 et l'extrémité distale 34 du guide de ventilation.

Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, des modifications peuvent être apportées à ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS

   1. Compresseur centrifuge (10) comprenant un rouet (20), un diffuseur (40) radialement externe par rapport au rouet et dont une entrée est située à la sortie du rouet, et un guide de ventilation (30) situé en regard de la face arrière (22) du rouet de façon à former, avec la face arrière du rouet, un conduit de ventilation (31) du rouet, dans lequel une extrémité distaie (34) du guide de ventilation est séparée du diffuseur (40) par un espace (E), l'extrémité distale (34) du guide de ventilation est radialement à l'extérieur du rouet (20) et, dans un plan axial, les bords du diffuseur (40) et du guide de ventilation (30) donnant sur le conduit de ventilation (31) sont dans le prolongement l'un de l'autre, de part et d'autre de l'espace (E),
2. 2, Compresseur centrifuge (10) selon la revendication 1, dans lequel le diffuseur (40) et le guide de ventilation (30) sont deux pièces distinctes et le guide de ventilation (30) est fixé au diffuseur (40).
3. 3. Compresseur centrifuge (10) selon la revendication 2, dans lequel le guide de ventilation (30) est fixé au diffuseur (40) à l'arrière du conduit de ventilation (31).
4. 4, Compresseur centrifuge (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel pendant le fonctionnement du compresseur, le rapport d'une largeur transverse (H) de l'espace (E) sur une largeur transverse (L) d'une partie distale (31a) du conduit de ventilation (31) vaut au plus 0,7.
5. 5, Compresseur centrifuge (10) selon Tune quelconque des revendications i à 4, dans lequel l'espace (E) s'étend continûment sur toute la circonférence du guide de ventilation (30).
6. 6. Turbomachine comprenant un compresseur centrifuge (10) selon Tune quelconque des revendications 1 à 5.