FR3061740B1 - Redresseur a tenue vibratoire renforcee - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne redresseur (1) pour un compresseur d'une turbomachine pour aéronef, comprenant une virole interne (2), une virole externe (3) et des aubes (4), la virole interne (2) comprenant une paroi interne (21) et une paroi externe (22), les aubes (4) comprenant chacun un pied (43) par lequel lesdites aubes (4) sont fixées à la paroi externe (22) de la virole interne (2), la virole interne (2) comprend une extrémité amont (23) plane, perpendiculaire à l'axe (Ω), et qui est située en regard du bord d'attaque (41) des aubes (4), ladite extrémité amont (23) comprenant une épaisseur correspondant à la distance entre la paroi interne (21) et la paroi externe (22) ; la paroi externe (22) de la virole interne (2) comprenant une portion amont (25) formant une surface courbe et située entre l'extrémité amont (23) et le pied (43) des aubes (4), la portion amont (25) comprenant une longueur correspondant à la distance entre l'extrémité amont (23) et le pied (43) des aubes (4), l'épaisseur de l'extrémité amont (23) étant inférieure à 0,5 fois la longueur de la portion amont (25).

Description

REDRESSEUR A TENUE VIBRATOIRE RENFORCEE
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL
La présente invention concerne un redresseur pour un compresseur d’une turbomachine pour un aéronef.
Plus précisément, elle concerne une virole interne du redresseur possédant une tenue vibratoire améliorée.
La présente invention concerne également un compresseur d’une turbomachine pour aéronef comprenant un tel organe de redresseur
La présente invention concerne également une turbomachine pour un aéronef comprenant un tel compresseur.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Une turbomachine pour aéronef comprend un compresseur afin de comprimer de l’air, notamment pour donner à l’air une vitesse, une pression, et une température adaptée pour brûler l’air dans une chambre de combustion avec du carburant.
Un compresseur comprend en général plusieurs étages, chaque étage comprend un premier organe aubagé tournant qui forme un rotor, et un deuxième organe aubagé fixe, appelé redresseur, qui forme un stator, et qui est situé en aval du rotor dans le sens d’écoulement de l’air dans la turbomachine.
Un redresseur comprend une virole externe et une virole interne espacées l’une de l’autre, et des aubes qui relient la virole externe et la virole interne. L’espace entre la virole externe et la virole interne forme un canal d’écoulement pour le flux d’air circulant dans le compresseur.
Un problème rencontré par les redresseurs de l’état de la technique, et notamment les redresseurs des compresseurs haute-pression, est qu’ils présentent une tenue vibratoire insuffisante. Ainsi, lors du fonctionnement de la turbomachine, les vibrations créées par le fonctionnement de ladite turbomachine peuvent entraîner la création de charges mécaniques trop importantes au niveau de la virole interne et des aubes, ces charges trop importantes étant responsables de l’apparition de criques.
PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L’INVENTION
Un but général de l’invention est de proposer une solution permettant d’augmenter la tenue vibratoire d’un redresseur en limitant le niveau des charges créées par les vibrations apparaissant lors du fonctionnement de la turbomachine.
Un autre but de l’invention est de proposer une solution permettant de réduire la masse du redresseur, et donc d’alléger la turbomachine.
Un autre but de l’invention est également de proposer une solution permettant de faciliter l’assemblage entre le redresseur et un organe aubagé formant un rotor.
Plus particulièrement, selon un premier aspect, l’invention propose un redresseur pour un compresseur d’une turbomachine pour aéronef, comprenant une virole interne et une virole externe qui possèdent une forme annulaire selon un axe, des aubes qui relient ladite virole interne et ladite virole externe, lesdites aubes comprenant un bord d’attaque, la virole interne comprenant une paroi interne et une paroi externe, les aubes comprenant chacun un pied par lequel lesdites aubes sont fixées à la paroi externe de la virole interne, la virole interne comprenant en outre une extrémité amont plane reliant la paroi interne et la paroi externe qui est perpendiculaire à l’axe et qui est située en regard du bord d’attaque des aubes, ladite extrémité amont comprenant une épaisseur correspondant à la distance entre la paroi interne et la paroi externe, la paroi externe de la virole interne comprenant une portion amont formant une surface courbe et située entre l’extrémité amont et le pied des aubes, la portion amont comprenant une longueur correspondant à la distance entre l’extrémité amont et le pied des aubes, caractérisé en ce que l’épaisseur de l’extrémité amont est inférieure à 0,5 fois la longueur de la portion amont.
Selon une caractéristique additionnelle, l’épaisseur de l’extrémité amont est supérieure à 0,2 fois la longueur de la portion amont.
Selon une autre caractéristique possible, la portion amont comprend un rayon de courbure supérieur à 0,6 fois la longueur de ladite portion amont.
Selon une caractéristique supplémentaire, la portion amont comprend un rayon de courbure inférieur à 0,90 fois la longueur de ladite portion amont.
Selon une caractéristique optionnelle, deux crochets de fixation sont formés sur le contour de la virole externe, lesdits crochets de fixation étant configurés pour fixer ledit redresseur à un carter de la turbomachine.
Selon une caractéristique facultative, la virole interne comprend un crochet formé sur le contour de la paroi interne de ladite virole interne, ledit crochet formant une cavité débouchant vers l’extrémité amont de ladite virole interne et dans laquelle est disposé un joint d’étanchéité.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un compresseur d’une turbomachine pour aéronef comprenant un redresseur selon le premier aspect et un organe comprenant des aubes qui forme un rotor, l’extrémité amont de la virole interne du redresseur étant située en regard d’un bord de fuite des aubes dudit organe aubagé formant le rotor.
Selon un troisième aspect, l’invention propose une turbomachine pour aéronef comprenant un compresseur qui comprend un redresseur selon le deuxième aspect.
DESCRIPTIF DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels : • la figure 1 représente une section d’un redresseur ; • la figure 2 représente une vue détaillée de l’extrémité amont de la virole interne d’un redresseur selon un premier mode de réalisation ; • la figure 3 représente une vue détaillée de l’extrémité amont de la virole interne d’un redresseur selon un deuxième mode de réalisation ; • la figure 4 compare deux courbes représentant la réponse vibratoire des différents modes propres d’un redresseur dont l’épaisseur de l’extrémité amont est trop importante par rapport à la longueur de la portion amont, et d’un redresseur selon le premier mode de réalisation, sur un plage de fréquence allant de 20 000Hz à 25 500Hz.
DESCRIPTION D’UN OU PLUSIEURS EXEMPLES DE MODE DE REALISATION
On a représenté sur la figure 1 un redresseur 1 d’une turbomachine pour un aéronef qui comprend une virole interne 2 et une virole externe 3 qui sont espacées l’une de l’autre, la virole externe 3 étant située autour de la virole interne 2. La virole interne 2 et la virole externe 3 sont toutes les deux des pièces annulaires d’axe Ω, l’axe Ω étant l’axe de la turbomachine. De manière classique les termes « interne » et « externe » sont compris au regard de l’axe Ω de la turbomachine, et les termes « amont » et « aval » sont compris suivant le sens d’écoulement des gaz dans la turbomachine.
La virole interne 2 et la virole externe 3 sont toutes les deux reliées par des aubes 4 qui possèdent des formes profilées. Les aubes 4 possèdent ainsi un bord d’attaque 41, un bord de fuite 42, ainsi qu’un extrados et un intrados reliant ledit bord d’attaque 41 audit bord de fuite 42.
Les aubes 4 du redresseur 1 sont fixées à la virole interne 2 par un pied 43 et à la virole externe 3 par un sommet 44. Les aubes 4 forment un aubage fixe, c’est-à-dire qui n’est pas entraîné en rotation autour de l’axe Ω lors du fonctionnement de la turbomachine.
La virole interne 2 comprend une paroi interne 21 orientée vers l’intérieur, c’est-à-dire vers l’axe Ω, et une paroi externe 22 orientée vers l’extérieur, c’est-à-dire vers la virole externe 3.
La virole externe 3 comprend également une paroi interne et une paroi externe, ladite paroi interne étant orientée vers la virole interne 2 et ladite paroi externe étant orientée vers un carter de la turbomachine auquel le redresseur 1 est fixé.
La paroi externe 22 de la virole interne 2 et la paroi interne de la virole externe forme un conduit pour la circulation de l’air provenant depuis un rotor situé en amont du redresseur 1 qui est formé par un organe aubagé du compresseur dont les aubes sont entraînées en rotation autour de l’axe Ω lors du fonctionnement de la turbomachine. Le rotor comprend des aubes profilées qui comprennent un bord d’attaque et un bord de fuite qui sont reliés par un intrados et un extrados. Lors de l’assemblage du redresseur 1 avec le rotor, ledit rotor et ledit redresseur sont disposés tels que le bord de fuite des aubes du rotor est disposé en regard du bord d’attaque des aubes 4 dudit redresseur 1.
La virole interne 2 comprend une extrémité amont 23 située en amont du bord d’attaque 41 des aubes 4, et une extrémité aval 24 située en aval du bord de fuite 42 desdites aubes 4, suivant la circulation du flux d’air. Une fois le redresseur 1 assemblé avec le rotor afin de former l’étage de compresseur, l’extrémité amont 23 est située en regard du rotor, et plus précisément en regard du bord de fuite des aubes dudit rotor. Dit autrement, l’extrémité amont 23 est située directement en ava du bord de fuite des aubes du rotor.
La virole externe 3 comprend également une extrémité amont en regard du bord d’attaque 41 des aubes 4, et une extrémité aval en regard du bord de fuite 42 desdites aubes 4.
Comme visible plus en détail sur les figures 2 et 3, l’extrémité amont 23 de la virole interne 2 est une surface plane et dirigée perpendiculairement à l’axe Ω. Dit autrement, l’extrémité amont 23 est une surface plane dirigée radialement par rapport à l’axe Ω. L’extrémité amont 23 forme ainsi un anneau perpendiculaire audit axe Ω qui relie la paroi interne 21 et la paroi externe 22 de la virole interne 2. L’extrémité amont 23 comprend une épaisseur E qui correspond à la distance séparant la paroi interne 21 de la paroi externe 22 de la virole interne 2 au niveau de ladite extrémité amont 23. La distance entre la paroi interne 21 et la paroi externe 22 peut être plus importante ou moins importante que l’épaisseur E à d’autres endroits de la virole externe 2. L’épaisseur E est mesurée radialement par rapport à l’axe Ω.
La paroi externe 2 comprend une portion amont 25 qui est située entre l’extrémité amont 23 et le pied 43 des aubes 4. La portion amont 25 forme une surface courbe reliant le pied 43 des aubes 4 à l’extrémité amont 23 de la virole interne 2. La portion amont 25 est courbée de sorte à former une surface convexe.
La portion amont 25 comprend d’une part une longueur D qui correspond à la distance entre le pied 43 des aubes 4 et l’extrémité amont 23, et d’autre part un rayon de courbure R. La longueur D de la portion amont 25 est indépendante du rayon de courbure R. La longueur D est mesurée suivant la direction de l’axe Ω.
Afin d’améliorer la tenue vibratoire du redresseur 1, il est proposé notamment de réduire l’épaisseur E de l’extrémité amont 23. Cette réduction de l’épaisseur E de l’extrémité amont permet de réduire la masse mise en mouvement par les vibrations créées lors du fonctionnement de la turbomachine. L’épaisseur E de l’extrémité amont est réduite en la rendant inférieure à 0,5 fois la longueur D de la portion amont.
La demanderesse s’est en effet aperçu que, contrairement à l’idée répandue selon laquelle l’extrémité amont 23 de la virole interne 2 n’a pas d’influence sur la réponse modale du redresseur 1, modifier l’extrémité amont 23 de la virole interne 2 a un fort impact sur les réponses vibratoires du redresseur 1.
Ainsi, en réduisant la masse mise en mouvement par les vibrations, la fréquence des modes propres du redresseur 1 augmente. En effet, la fréquence ω des modes propres est définie par la relation suivante : ίκ ω = —
JM
Avec K correspondant à la raideur, et M la masse mise en mouvement par les vibrations.
Ainsi, en augmentant la fréquence des modes propres du redresseur 1, le cumul de deux modes propres consécutifs dont les fréquences sont trop proches l’une de l’autre est empêché.
La demanderesse s’est en effet aperçu que le pic de charges mécaniques généré lors du fonctionnement de la turbomachine est dû au cumul de deux modes propres consécutifs dont la différence de fréquence est trop faible.
En effet, un mode propre répond de manière forte à la fréquence de résonance, mais répond également pour des fréquences proches, même sa réponse est de moins forte amplitude que pour la fréquence de résonnance. Par ailleurs, lorsque les réponses de deux modes propres consécutifs se cumulent, lesdites réponses se cumulent d’autant plus que les fréquences desdits modes propres sont proches.
Afin d’espacer suffisamment les modes propres, l’épaisseur E de l’extrémité amont 23 est inférieur à 0,5 fois la longueur D de la portion amont 25, ou exprimé en équation : E < 0,5 x D. La longueur D de la portion amont 25 est un paramètre qui est imposé par l’assemblage du redresseur 1 avec l’organe aubagé rotor situé en amont dans la turbomachine. De préférence, l’épaisseur E est inférieure ou égale à 0,33 fois la longueur D. En effet, la longueur D correspond à la partie de la virole 2 qui est libre en porte à faux. Ainsi, la longueur D influe fortement sur la partie de la virole 2 mise en mouvement lors des vibrations. De plus, l’épaisseur E influe également fortement sur la réponse vibratoire de la virole 2 car plus l’épaisseur E est élevée, plus la virole 2 est raide.
La figure 4 compare la réponse vibratoire des modes propres d’un redresseur dont l’épaisseur E ne respecte par le critère, représenté par la courbe 8, et un redresseur 1 selon un premier mode de réalisation, représenté par la courbe 9, pour une fréquence allant de 20 000 à 25 500 Hz. Le redresseur 1 selon le premier mode de réalisation diffère du redresseur représenté par la courbe 8 uniquement en ce qu’il possède une épaisseur E plus faible, la longueur D et le rayon de courbure R étant égaux. Comme visible sur la figure 4, le fait que l’épaisseur E soit inférieure à 0,5 fois la longueur D permet de réduire la réponse vibratoire des modes du redresseur 1 sur cette plage de fréquences, qui est la plage de fréquences sur lesquels les pics de charges se produisent.
Par ailleurs, le fait que l’épaisseur E soit inférieure à 0,5 fois la longueur D permet d’augmenter la souplesse de la virole interne 2 au niveau de l’extrémité amont 23, permettant ainsi à ladite virole interne 2 d’absorber d’avantage d’efforts mécaniques, ce qui réduit le niveau de charge au niveau des aubes 4, et plus précisément au niveau de la jonction entre la virole 2 et les aubes 4, cette jonction étant une zone critique du redresseur 1.
Le fait que l’épaisseur E soit inférieure à 0,5 fois la longueur D permet également d’améliorer le rendement de la turbomachine 1 en réduisant la masse du redresseur 1, via la réduction de la masse de la virole interne 2. L’épaisseur E est de préférence supérieure à 0,2 fois la longueur D, soit exprimé sous forme mathématique : E > 0,2 x D. En effet, une étape de contrôle de la forme de l’extrémité amont 23 peut être menée avec un palpeur sur la surface de ladite extrémité amont 23 lors de l’assemblage du redresseur 1 avec le rotor situé en amont dudit redresseur 1. Afin de faciliter la réalisation de cette étape de palpage, l’épaisseur E de l’extrémité amont 23 ne doit pas être trop faible. Ainsi, lorsque par exemple la longueur D est égale à 3 mm, l’épaisseur E est, de préférence, supérieure à 0,6 mm.
Dans le deuxième mode de réalisation représenté à la figure 3, le rayon de courbure R de la portion amont 25 est augmenté par rapport au rayon de courbure R du premier mode de réalisation. Dans le deuxième mode de réalisation, le rayon de courbure R est supérieur à 0,6 fois la longueur D, soit exprimé sous forme mathématique : R > 0,6 x D.
Le rayon de courbure R de la ligne discontinue 25b représente la portion amont du premier mode de réalisation de la figure 2, afin de comparer plus facilement la différence de rayon de courbure R.
Le fait que le rayon de courbure R soit supérieur à 0,62 fois la longueur D permet de rapprocher le point le plus externe de l’extrémité amont 23 de l’axe Ω, réduisant ainsi le risque de former une marche montante dans le flux d’air entre le rotor et le redresseur 1. Une marche montante est un obstacle créé dans le flux d’air circulant entre le rotor et le redresseur 1. Cet obstacle est créé par le fait que l’extrémité amont 23 se trouve plus éloignée de l’axe Ω que l’extrémité aval du rotor, formant ainsi une discontinuité faisant saillie dans le conduit guidant flux d’air.
Le rayon de courbure R est de préférence inférieur à 0,90 fois la longueur D, soit exprimé sous forme mathématique : R < 0,90 x D. Cela permet d’assurer que la portion amont 25 soit tangente avec le pied 43 des aubes 40, au niveau de sa liaison avec le pied 43 des aubes 40. Le fait que la liaison entre le pied 43 des aubes 40 et la portion amont 25 soit effectuée par tangence entre ledit pied 43 des aubes 40 et la portion amont 25 permet d’améliorer les propriétés aérodynamiques du redresseur 1.
La virole externe 3 peut comprendre des crochets de fixation 31 formés sur le contour de sa paroi externe. Les crochets de fixation 31 sont tous les deux dirigés vers l’extérieur du redresseur 1. Les crochets de fixation 31 permettent d’assurer la fixation du redresseur 1 au carter de la turbomachine.
Le fait que le redresseur 1 soit fixé au carter de la turbomachine par la virole externe 3 permet de réduire les efforts mécaniques statiques que doit supporter la virole interne 2, réduisant ainsi les charges statiques appliquées à l’extrémité amont 23 dont l’épaisseur est réduite.
La virole interne 2 peut comprendre un crochet 26 faisant saillie de la paroi interne 21. Le crochet 26 forme une cavité 27 ouverte qui est dirigée vers l’extrémité amont 23 de la virole interne 2. Afin d’assembler le rotor au redresseur 1, un joint d’étanchéité est disposé à l’intérieur de la cavité 27 formée par le crochet 26, ce joint permettant de limiter les fuites dans le flux d’air lorsque ledit flux d’air sort du rotor et entre dans le redresseur 1.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
    1. Redresseur (1 ) pour un compresseur d’une turbomachine pour aéronef, comprenant une virole interne (2) et une virole externe (3) qui possèdent une forme annulaire selon un axe (Ω), des aubes (4) qui relient ladite virole interne (2) et ladite virole externe (3), lesdites aubes (4) comprenant un bord d’attaque (41), la virole interne (2) comprenant une paroi interne (21) et une paroi externe (22) , les aubes (4) comprenant chacun un pied (43) par lequel lesdites aubes (4) sont fixées à la paroi externe (22) de la virole interne (2), la virole interne (2) comprenant en outre une extrémité amont (23) plane reliant la paroi interne (21) et la paroi externe (22) qui est sensiblement perpendiculaire à l’axe (Ω) et qui est située en regard du bord d’attaque (41) des aubes (4), ladite extrémité amont (23) comprenant une épaisseur (E) correspondant à la distance entre la paroi interne (21) et la paroi externe (22) ; caractérisé en ce que la paroi externe (22) de la virole interne (2) comprend une portion amont (25) formant une surface courbe et située entre l’extrémité amont (23) et le pied (43) des aubes (4), la portion amont (25) comprenant une longueur (D) correspondant à la distance entre l’extrémité amont (23) et le pied (43) des aubes (4), l’épaisseur (E) de l’extrémité amont (23) est inférieure à 0,5 fois la longueur (D) de la portion amont (25), l’épaisseur (E) de l’extrémité amont (23) est supérieure à 0,2 fois la longueur (D) de la portion amont (25), la portion amont (25) comprend un rayon de courbure (R) supérieur à 0,6 fois la longueur (D) de ladite portion amont.
  2. 2. Redresseur (1) selon la revendication 1, dans lequel la portion amont (25) comprend un rayon de courbure (R) inférieur à 0,90 fois la longueur (D) de ladite portion amont.
  3. 3. Redresseur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel deux crochets de fixation (31) sont formés sur le contour de la virole externe (3), lesdits crochets de fixation (31) étant configurés pour fixer ledit redresseur (3) à un carter de la turbomachine.
  4. 4. Redresseur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel la virole interne (2) comprend un crochet (26) formé sur le contour de la paroi interne (21) de ladite virole interne (2), ledit crochet (26) formant une cavité (27) débouchant vers l’extrémité amont (23) de ladite virole interne (2) et dans laquelle est disposé un joint d’étanchéité.
  5. 5. Compresseur d’une turbomachine pour aéronef comprenant un redresseur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 et un organe comprenant des aubes qui forme un rotor, l’extrémité amont (23) de la virole interne (2) du redresseur (1) étant située en regard d’un bord de fuite des aubes dudit organe aubagé formant le rotor.
  6. 6. Turbomachine pour aéronef comprenant un compresseur selon la revendication 5.
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