FR3027354A1 - Roue a aubes comprenant des percages entre l'intrados et l'extrados de l'aube et moteur associe - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un moteur (1) comprenant une roue (30, 40) à aubes (42), dans lequel chaque aube (42) présente une paroi d'intrados (44) et une paroi d'extrados (46) qui relient le bord d'attaque (BA) et le bord de fuite (BF) de l'aube (42), dans lequel tout ou partie des aubes (42) comprend des passages (9) traversants pour les gaz, s'étendant depuis la paroi d'intrados (44) et débouchant dans la paroi d'extrados (46), lesdits passages (9) étant formés dans une zone d'instabilité (Z) de l'écoulement des gaz susceptible de décollement.

Description

02 73 5 4 1 DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne de manière générale le domaine des turbomachines, et plus particulièrement les compresseurs de ces turbomachines.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Une turbomachine 1 pour un aéronef comprend généralement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante 2, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression 3 et un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, un ou plusieurs étages de turbines 6, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz 7. Les compresseurs 3, 4 sont réalisés sous la forme d'une succession d'étages comprenant chacun une roue d'aubes mobiles 30, 40 tournant devant une roue d'aubes fixes 32, 42 (ou redresseurs). Une roue directrice d'entrée peut également être positionnée, de façon fixe, devant la première roue d'aubes mobiles 30, 40 pour donner au flux d'air entrant, une composante de vitesse tangentielle.

Les compresseurs 3, 4 se caractérisent, entre autres, par leur débit et par leur taux de compression qui peut être très élevé en fonction des exigences du cycle pour augmenter le rendement thermodynamique. Cependant l'augmentation de ce taux de compression est limitée, pour chaque valeur de débit, par l'apparition d'un phénomène de pompage qui correspond à un décrochage des filets d'air sur le profil des aubes lorsque celles-ci sont trop chargées et qui peut se traduire par un retournement de l'écoulement au travers du compresseur 3, 4. Dans un diagramme donnant le taux de compression en fonction du débit, le phénomène de pompage est représenté par une ligne, dite de pompage, qui constitue la limite à ne pas dépasser en utilisation pour ne pas risquer l'apparition du phénomène de pompage. En effet, dans un moteur, le phénomène de pompage peut conduire à des dégradations mécaniques importantes sur une grande partie de la machine, voire, en cas de retournement de l'écoulement, à une chute de régime dans la chambre de combustion. Afin d'éviter de franchir cette ligne de pompage, le fonctionnement du moteur 1 est géré de sorte que le point caractéristique du compresseur 3, 4 (dans le diagramme taux de compression en fonction du débit) reste, en régime stabilisé, le long d'une ligne, dite ligne de fonctionnement, qui se situe en dessous de la ligne de pompage. L'écart entre les deux lignes caractérise la marge au pompage, c'est-à-dire les excursions en élévation de la pression à iso-débit qu'il est possible d'effectuer lors des manoeuvres transitoires pour augmenter la vitesse de rotation du corps considéré. Les turbomachines modernes ont généralement des taux de compression élevés aux régimes élevés pour bénéficier de hauts rendements mais cela se traduit au niveau du ralenti par une dégradation de la marge au pompage ; sans dispositif particulier celle-ci se révèle insuffisante pour une utilisation aisée du moteur aux faibles régimes. Le débit entrant dans le compresseur dépend en effet de sections critiques dans les turbines, qui sont faibles au ralenti et qui déplacent le fonctionnement du compresseur vers des zones instables. Des dispositifs ont été proposés pour améliorer cette marge au pompage au ralenti, comme l'introduction de calages variables sur les aubes fixes. Les compresseurs équipés de redresseurs à calages variables permettent ainsi, en fermant ces derniers au ralenti, de diminuer le débit entrant dans la machine et de conserver une marge au pompage acceptable. Ces dispositifs peuvent également s'accompagner de prélèvements d'air qui sont détournés de la chambre de combustion, pour gagner encore de la marge au pompage à régime partiel. Ces solutions présentent cependant l'inconvénient d'une augmentation de la masse du moteur et/ou d'une élévation de la température en entrée de la turbine. On a également proposé d'adapter la forme des aubes de manière à limiter l'apparition des décollements. Néanmoins, certaines pièces du moteur restent difficiles à contrôler en fonctionnement nominal du moteur. C'est notamment le cas des compresseurs, des bras de carter intermédiaire, des diffuseurs centrifuge, et des OGV (acronyme anglais de Outlet Guide Vane, qui désigne le redresseur de flux logé derrière la soufflante du moteur). De plus, lorsque l'incidence augmente, c'est-à-dire que lorsque l'angle du fluide capté par la roue augmente en raison du vieillissement du moteur, de la dégradation des pièces du moteur (forme du bord d'attaque, jeu en sommet d'aube, etc.) ou des régimes transitoires, ces phénomènes s'amplifient significativement, pouvant aboutir à des décrochages généralisés de la pièce du moteur, typiquement du compresseur, et au pompage. RESUME DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients 15 en proposant une solution simple applicable à une roue à aubes d'un moteur, telle qu'une roue d'un compresseur, une roue d'OGV ou d'un carter intermédiaire, pour que sa marge au pompage reste élevée même au ralenti afin d'améliorer l'opérabilité du moteur, tout en maintenant les performances du moteur. 20 Pour cela, l'invention propose un moteur pour un aéronef, comprenant une roue à aubes comportant une série d'aubes qui s'étendent circonférentiellement autour d'un axe du moteur, dans lequel chaque aube présente : 25 - un bord d'attaque, configuré pour être disposé en regard d'un écoulement des gaz dans le moteur, - un bord de fuite, opposé au bord d'attaque, et - une paroi d'intrados et une paroi d'extrados qui relient le bord d'attaque et le bord de fuite, 30 dans lequel tout ou partie des aubes comprend des passages traversants pour les gaz, s'étendant depuis la paroi d'intrados et débouchant dans la paroi d'extrados des aubes, lesdits passages étant formés dans une zone d'instabilité de l'écoulement des gaz susceptible de décollement. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du moteur décrit ci-dessus sont les suivantes : - chaque aube s'étend suivant une direction radiale par rapport à l'axe du moteur, et les passages traversants d'une aube donnée s'étendent dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction radiale de ladite aube, - les passages traversants s'étendent suivant une direction principale définissant un axe principal, ledit axe principal formant avec une tangente à la paroi d'extrados au niveau de la sortie desdits passages traversants un angle d'injection inférieur à 600 , - l'écoulement de gaz en entrée des aubes présente un angle de giration résiduelle déterminé, les passages traversants comprennent un premier tronçon, s'étendant depuis la paroi d'intrados suivant une direction secondaire, et un deuxième tronçon, s'étendant depuis le premier tronçon vers la paroi d'extrados suivant l'axe principal, et la direction secondaire définit un axe secondaire formant avec une tangente à la paroi d'intrados au niveau de l'entrée desdits passages un angle d'aspiration, ledit angle d'aspiration étant égal, à 10 degrés près, à l'angle de giration résiduelle, - la série d'aubes fait partie d'un disque aubagé monobloc, d'une roue de rotor ou d'une roue de stator, et dans lequel un diamètre des passages est inférieur à 2.0 mm, de préférence inférieur à 1.5 mm, - les zones d'instabilité s'étendent dans les cinquante derniers 25 pourcentages d'une corde des aubes et sur une hauteur desdites aubes, - la roue à aubes fait partie d'un compresseur, - la roue à aubes comprend un OGV ou un bras de carter intermédiaire, et dans lequel un diamètre des passages est inférieur à 4.0 mm, et 30 - les zones d'instabilité s'étendent dans les quarante derniers pourcentages d'une corde des aubes et sur 0% à 60% d'une hauteur desdites aubes.

Selon un deuxième aspect, l'invention propose également une roue à aubes pour un moteur comme décrit ci-dessus, lesdites aubes s'étendant circonférentiellement autour d'un axe du moteur, dans lequel chaque aube présente : - un bord d'attaque, configuré pour être disposé en regard d'un écoulement des gaz dans le moteur, - un bord de fuite, opposé au bord d'attaque, et - une paroi d'intrados et une paroi d'extrados qui relient le bord d'attaque et le bord de fuite, dans laquelle tout ou partie des aubes comprend des passages traversants pour les gaz, s'étendant depuis la paroi d'intrados et débouchant dans la paroi d'extrados, lesdits passages étant formés dans une zone d'instabilité de l'écoulement des gaz susceptible de décollement.

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 est une vue schématique en coupe d'un exemple de réalisation d'un moteur conforme à l'invention, La figure 2 est une vue tridimensionnelle d'un exemple de réalisation d'une aube d'un moteur conforme à l'invention, La figure 3 est une vue en coupe d'un premier exemple de réalisation d'une aube, au niveau d'un passage traversant, La figure 4 est une vue en coupe d'un deuxième exemple de réalisation d'une aube, au niveau d'un passage traversant, La figure 5 illustre une variante de réalisation du passage traversant de la figure 4.30 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Dans ce qui suit, l'invention sera plus particulièrement détaillée dans le cas d'une roue à aubes mobiles 40 d'un compresseur radial haute pression 4.

Ceci n'est cependant pas limitatif, l'invention s'appliquant également aux roues à aubes fixes, aux compresseurs axiaux, aux compresseurs basse pression, aux OGV 8a, ou encore aux bras de carters intermédiaires 8b, l'ensemble de ces pièces du moteur 1 comprenant des roues à aubes présentant des zones d'instabilité de l'écoulement des gaz dans lesquelles l'écoulement est susceptibles de décoller. Un moteur 1 conforme à l'invention comprend au moins une roue 40 à aubes 42, par exemple une roue 40 à aubes mobiles d'un compresseur 4 radial haute pression. La roue 40 à aubes comprend une série d'aubes 42, qui s'étendent circonférentiellement autour d'un axe A-A du moteur 1 suivant une direction radiale par rapport à l'axe A-A, c'est-à-dire suivant une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe A-A du moteur 1. Chaque aube 42 présente : - un bord d'attaque BA, configuré pour être disposé en regard d'un écoulement des gaz dans le moteur 1, - un bord de fuite BF, opposé au bord d'attaque BA, et - une paroi d'intrados 44 et une paroi d'extrados 46 qui relient le bord d'attaque BA et le bord de fuite BF.

De manière conventionnelle, la paroi d'extrados 46 des aubes 42 correspond à la face adjacente à la cambrure des aubes 42, où se situe la dépression, tandis que la paroi d'intrados 44 correspond à la face en regard, où se situe la surpression.

En fonctionnement, lorsque l'écoulement de gaz entre deux aubes 42 adjacentes n'est pas suffisamment entrainé, ce qui peut être le cas par exemple à bas régime, une dépression statique peut se créer entre la paroi d'intrados 44 d'une aube 42 et la paroi d'extrados 46 en regard de l'aube 42 adjacente, ce qui génère une migration des gaz transversalement à la direction de l'écoulement et a pour conséquence de créer une zone d'instabilité Z au niveau du pieds des aubes 42. Le vieillissement du moteur 1 peut également créer de telles zones d'instabilité Z, typiquement du fait du jeu en tête d'aubes 42 qui a pour conséquence de générer des tourbillons. Afin d'éviter cette migration, l'invention propose de former des passages 9 traversants entre la paroi d'intrados 44 et la paroi d'extrados 46 de tout ou partie des aubes 42 de la roue 40 d'aubes. Les passages 9 sont 10 réalisés de préférence dans des zones Z de l'aube 42 dans lesquelles l'écoulement de gaz est susceptible de décoller. Ces passages 9 permettent ainsi de réalimenter en énergie l'écoulement des gaz dans cette zone Z, ce qui améliore la marge au pompage de la roue à aubes et/ou permet le cas échéant, à marge au pompage sensiblement équivalente, de modifier la 15 géométrie des aubes 42 afin d'améliorer le rendement du moteur 1. De préférence, des passages 9 traversants sont formés dans toutes les aubes 42 d'une roue 40 donnée. Les zones d'instabilité Z sujettes au décollement dépendent du type zo de roue 40 à aubes concernée (compresseur basse pression 3 ou haute pression 4, OGV 8a, bras de carter intermédiaire 8b, etc.). Par ailleurs, on notera que la zone de d'instabilité Z grandit jusqu'à atteindre un décollement généralisé dans le cadre d'un pompage. Les zones d'instabilité Z décrites dans ce qui suit correspondent donc aux zones Z dans lesquelles 25 sont initiées les instabilités. Par exemple, dans le cas d'une roue 40 à aubes 42 mobile d'un compresseur basse pression 3 ou haute pression 4, les zones d'instabilité Z dans lesquelles peuvent être formés les passages 9 traversants s'étendent globalement dans les cinquante derniers pourcentages de la corde (qui 30 correspond à la longueur entre le bord d'attaque BA et le bord de fuite BF), sur toute la hauteur (c'est-à-dire la longueur entre le pied d'aube et la tête d'aube) des aubes 42. Le diamètre des passages 9 traversants peut par ailleurs être inférieur à 2.0 mm, de préférence inférieur à 1.5 mm. Dans le cas d'une roue 40 à aubes 42 fixe du type roue d'OGV, carter intermédiaire 8b ou encore diffuseur centrifuge, les zones d'instabilité Z dans lesquelles peuvent être formés les passages 9 traversants s'étendent dans les derniers quarante derniers pourcentages de la corde et sur 0% à 60% de la hauteur des aubes 42. Le diamètre des passages 9 traversants peut par ailleurs être compris entre 0.5 et 4.0 mm.

Des passages 9 traversants peuvent en outre être formés au niveau du bord de fuite BF des aubes 42, afin de réduire le sillage de l'aube 42. Les passages 9 traversants de chaque aube 42 s'étendent suivant une direction principale définissant un axe principal Y.

Dans une forme de réalisation (figure 3), l'axe principal Y s'étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction radiale de l'aube 42 et forme avec la tangente 47 à la paroi d'extrados 46, au niveau de la sortie des passages 9 traversants, un angle 0, ou angle d'injection, compris entre 150 et 60°, de préférence entre 20° et 45°.

Par ailleurs, les passages 9 peuvent en outre être orientés de sorte que l'axe principal Y forme avec la tangente 45 à la paroi d'intrados 44 au niveau de l'entrée du passage 9 un angle cc, dit angle d'aspiration, qui peut par exemple être compris entre 100 et 60° par rapport à la tangente au profil, de préférence entre 100 et 40°.

Dans cette forme de réalisation, les passages 9 traversants peuvent être sensiblement cylindriques, par exemple cylindriques de révolution. Cette forme de réalisation est particulièrement intéressante dans le cas de faibles différences de pression entre la paroi d'intrados 44 et la paroi d'extrados 46.

Dans une variante de réalisation de cette forme de réalisation (figures 4 et 5), les passages 9 traversants peuvent comprendre deux 3 0 2 73 5 4 9 tronçons 9a, 9b successifs sécants. Le premier tronçon 9a peut par exemple s'étendre depuis la paroi d'intrados 44, suivant une direction secondaire définissant un axe secondaire Z, tandis que le deuxième tronçon 9b peut s'étendre depuis le premier tronçon 9a jusqu'à la paroi d'extrados 5 46, suivant l'axe principal Y. L'axe principal Y forme de préférence un angle d'injection l avec la tangente 47 à la paroi d'extrados 46 compris entre 150 et 600, de préférence entre 200 et 45°, tandis que l'axe secondaire Z forme de préférence un angle d'aspiration cc avec la tangente 45 à la paroi d'intrados 44 au niveau de l'entrée du passage 9 sensiblement égal, à 10 degrés près, à l'angle de giration résiduelle l'écoulement de gaz en entrée des aubes 42. Dans cette variante de réalisation, l'angle d'aspiration cc est de préférence inférieur à l'angle d'injection p. Cette forme de réalisation présente l'avantage de réduire les pertes de charge potentielles dans les 15 passages 9 traversants en sur-déviant les gaz afin de les réinjecter suivant une direction plus proche de la paroi d'extrados 46, et d'être particulièrement intéressante en cas de différence de pression importante entre la paroi d'intrados 44 et la paroi d'extrados 46. Le premier 9a et le deuxième 9b tronçon peuvent être sensiblement 20 cylindriques, par exemple cylindriques de révolution. Pour faciliter l'usinage du deuxième tronçon 9b, celui-ci-peut en outre être de forme divergente en direction de la sortie du passage 9 (figure 5). Les passages 9 peuvent notamment être obtenus par perçage 25 réalisés dans les aubes 42. Chaque aube 42 peut comprendre une pluralité de passages 9 traversants dans une zone d'instabilité Z donnée, et comprendre plusieurs zones d'instabilité Z pourvues de tels passages 9 traversants. 30

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Moteur (1) pour un aéronef, comprenant une roue (30, 40) à aubes (42) comportant une série d'aubes (42) qui s'étendent circonférentiellement autour d'un axe du moteur (A-A), dans lequel chaque aube (42) présente : - un bord d'attaque (BA), configuré pour être disposé en regard d'un écoulement des gaz dans le moteur (1), - un bord de fuite (BF), opposé au bord d'attaque (BA), et - une paroi d'intrados (44) et une paroi d'extrados (46) qui relient le bord d'attaque (BA) et le bord de fuite (B F), le moteur (1) étant caractérisé en ce que tout ou partie des aubes (42) comprend des passages (9) traversants pour les gaz, s'étendant depuis la paroi d'intrados (44) et débouchant dans la paroi d'extrados (46) des aubes (42), lesdits passages (9) étant formés dans une zone d'instabilité (Z) de l'écoulement des gaz susceptible de décollement.
2. 2. Moteur (1) selon la revendication 1, dans lequel chaque aube (42) s'étend suivant une direction radiale par rapport à l'axe du moteur (A-A), et les passages (9) traversants d'une aube (42) donnée s'étendent dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction radiale (X) de ladite aube (42).
3. 3. Moteur (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les passages (9) traversants s'étendent suivant une direction principale définissant un axe principal (Y), ledit axe principal (Y) formant avec une tangente (47) à la paroi d'extrados (46) au niveau de la sortie desdits passages (9) traversants un angle d'injection (p) inférieur à 60°.
4. 4. Moteur (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel - l'écoulement de gaz en entrée des aubes (42) présente un angle de giration résiduelle déterminé, 3 0 2 73 5 4 11 - les passages (9) traversants comprennent un premier tronçon (9a), s'étendant depuis la paroi d'intrados (44) suivant une direction secondaire, et un deuxième tronçon (9b), s'étendant depuis le premier tronçon (9a) vers la paroi d'extrados (46) suivant l'axe principal (Y), et
5. 5 - la direction secondaire définit un axe secondaire (Z) formant avec une tangente (45) à la paroi d'intrados (44) au niveau de l'entrée desdits passages (9) un angle d'aspiration (a), ledit angle d'aspiration (a) étant égal, à 10 degrés près, à l'angle de giration résiduelle. 10 5. Moteur (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la série d'aubes (42) fait partie d'un disque aubagé monobloc, d'une roue de rotor ou d'une roue de stator, et dans lequel un diamètre des passages (9) est inférieur à 2.0 mm, de préférence inférieur à 1.5 mm. 15
6. 6. Moteur (1) selon la revendication 5, dans lequel les zones d'instabilité (Z) s'étendent dans les cinquante derniers pourcentages d'une corde des aubes (42) et sur une hauteur desdites aubes (42).
7. 7. Moteur (1) selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel la 20 roue (40) à aubes fait partie d'un compresseur (3, 4).
8. 8. Moteur (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la roue (40) à aubes comprend un OGV (8a) ou un bras de carter intermédiaire (8b), et dans lequel un diamètre des passages (9) est inférieur 25 à 4.0 mm.
9. 9. Moteur (1) selon la revendication 8, dans lequel les zones d'instabilité (Z) s'étendent dans les quarante derniers pourcentages d'une corde des aubes (42) et sur 0% à 60% d'une hauteur desdites aubes (42). 30 3 0 2 73 5 4 12
10. 10. Roue (30, 40) à aubes (42) pour un moteur (1) selon l'une des revendications 1 à 9, lesdites aubes (42) s'étendant circonférentiellement autour d'un axe du moteur (A-A), dans lequel chaque aube (42) présente : - un bord d'attaque (BA), configuré pour être disposé en regard d'un 5 écoulement des gaz dans le moteur, - un bord de fuite (BF), opposé au bord d'attaque (BA), et - une paroi d'intrados (44) et une paroi d'extrados (46) qui relient le bord d'attaque (BA) et le bord de fuite (B F), la roue (30, 40) d'aubes (42) étant caractérisée en ce que tout ou partie des 10 aubes (42) comprend des passages (9) traversants pour les gaz, s'étendant depuis la paroi d'intrados (44) et débouchant dans la paroi d'extrados (46), lesdits passages (9) étant formés dans une zone d'instabilité (Z) de l'écoulement des gaz susceptible de décollement. 15