FR3068727A1 - Surface aerodynamique exterieure alveolee pour aube de turbine de turbomachine d'aeronef - Google Patents

Surface aerodynamique exterieure alveolee pour aube de turbine de turbomachine d'aeronef Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une aube (20) de turbine pour turbomachine d'aéronef, comprenant une surface aérodynamique extérieure (26) dont au moins une partie présente une pluralité de cavités (40) génératrices de turbulences.

Description

SURFACE AERODYNAMIQUE EXTERIEURE ALVEOLEE
POUR AUBE DE TURBINE DE TURBOMACHINE D'AERONEF
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine des aubes de turbine pour turbomachine d'aéronef, et en particulier aux performances aérodynamiques de ces turbines.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
La performance globale d'une turbomachine d'aéronef dépend directement des conditions aérodynamiques de ses turbines. Il existe ainsi un objectif permanent visant à augmenter la performance aérodynamique des éléments de turbines haute pression et basse pression.
L'augmentation des performances passe habituellement par une optimisation du profil des aubes de turbine. Cependant, il existe un besoin d'accroître encore davantage les conditions aérodynamiques des turbines, de manière à présenter des turbomachines toujours plus performantes et compétitives.
EXPOSE DE L'INVENTION
Pour répondre au moins partiellement à ce besoin, l'invention a tout d'abord pour objet une aube de turbine pour turbomachine d'aéronef, comprenant une surface aérodynamique extérieure dont au moins une partie présente une pluralité de cavités génératrices de turbulences.
Grâce à cette conception, des turbulences peuvent en effet être observées au niveau des cavités, correspondant des enfoncements ou des dépressions à fonds fermés et s'ouvrant sur la surface aérodynamique extérieure de l'aube. Ces turbulences attirent l'air dans ces cavités et créent un fort ralentissement de l'écoulement, de sorte qu'une fine pellicule d'air reste au contact de la surface aérodynamique extérieure de l'aube. De ce fait, l'écoulement d'air s'effectue non plus directement sur la surface aérodynamique extérieure de l'aube, mais sur cette fine pellicule d'air qui reste accrochée à la surface aérodynamique, via les cavités spécifiques à l'invention. Il en découle avantageusement une diminution des frottements, entraînant une amélioration des conditions aérodynamiques des turbines équipées de ces aubes, et donc une augmentation de la performance globale de la turbomachine.
Par ailleurs, l'invention proposée ne remet pas en cause les architectures moteurs actuelles, sur lesquelles ces aubes peuvent être facilement implantées. Les techniques usuelles de fabrication de ces aubes comme la fonderie et l'usinage peuvent elles aussi être conservées, tandis que la présence des cavités n'entraîne pas d'impact négatif sur la tenue mécanique des aubes, ni sur leur durée de vie. En effet, la présence des cavités a pour conséquence de diluer les contraintes qui se répartissent de façon plus homogène sur la partie structurée, évitant ainsi les phénomènes de sur-contraintes locales et de formations de criques.
Enfin, il est noté que cette optimisation de l'aube rompt avec les solutions de l'art antérieur focalisées sur l'amélioration du profil lisse des aubes, puisque l'invention propose une structuration inventive de ces profils, par adjonction de cavités génératrices de turbulences.
L'invention présente également de préférence au moins l'une des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.
Les cavités sont des alvéoles agencées en matrice ou en quinconce.
Au moins une partie de la surface aérodynamique extérieure présente une densité d'alvéoles supérieure à 1 alvéole/cm2.
Chaque alvéole présente au niveau de la surface aérodynamique une ouverture dont la plus grande dimension est comprise entre 0,1 et 4 mm.
L'espacement entre les centres de deux alvéoles quelconques directement consécutives est compris entre 1,5 et 5 mm.
Chaque alvéole présente une forme de sphère tronquée ou d'ellipsoïde tronquée. D'autres formes sont néanmoins possibles, comme celle d'une demi-sphère tronquée.
Selon une autre réalisation possible, les cavités sont des stries parallèles s'étendant sensiblement perpendiculairement à une direction principale du flux d'air destiné à s'écouler sur la surface aérodynamique extérieure de l'aube.
Quelle que soit la forme envisagée pour les cavités, chacune d'elles présente une profondeur préférentiellement comprise entre 0,05 et 2 mm.
De préférence, des cavités sont prévues sur la partie intrados et/ou sur la partie extrados de la surface aérodynamique extérieure.
L'invention a également pour objet une turbine pour turbomachine d'aéronef, comprenant au moins une aube telle que décrite ci-dessus.
Enfin, l'invention a pour objet une turbomachine d'aéronef comprenant au moins une telle turbine. La turbomachine est par exemple du type turboréacteur ou turbopropulseur.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;
- la figure 1 représente une vue schématique de côté d'un turboréacteur selon l'invention ;
- la figure 2 représente une vue en perspective d'une partie d'aube de turbine du turboréacteur montrée sur la figure précédente, l'aube se présentant sous la forme d'un premier mode de réalisation préféré de l'invention ;
- la figure 3a représente une vue de face d'une partie de la surface aérodynamique extérieure de l'aube montrée sur la figure précédente ;
- la figure 3b est une vue similaire à la précédente, selon une réalisation alternative ;
- la figure 4 est une vue en coupe prise selon la ligne IV-IV de la figure 3a ;
- la figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 3a, avec l'aube se présentant sous la forme d'un second mode de réalisation préféré de l'invention ;
- la figure 6 est une vue en coupe prise selon la ligne VI-VI de la figure 5 ;
- la figure 7 est une vue de face d'une partie d'aube de turbine du turboréacteur selon un troisième mode de réalisation préféré de l'invention ; et
- la figure 8 est une vue en coupe prise selon la ligne VIll-VIII de la figure
7.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PREFERES
En référence à la figure 1, il est représenté un turboréacteur 1 à double flux et à double corps selon l'invention, présentant par exemple un taux de dilution élevé. Le turboréacteur 1 comporte de façon classique un générateur de gaz 2 de part et d'autre duquel sont agencés un compresseur basse pression 4 et une turbine basse pression 12, ce générateur de gaz 2 comprenant un compresseur haute pression 6, une chambre de combustion 8 et une turbine haute pression 10. Tous ces éléments sont centrés sur un axe longitudinal 3 du turboréacteur.
Le compresseur basse pression 4 et la turbine basse pression 12 forment un corps basse pression, et sont reliés l'un à l'autre par un arbre basse pression 11 centré sur l'axe 3. De même, le compresseur haute pression 6 et la turbine haute pression 10 forment un corps haute pression, et sont reliés l'un à l'autre par un arbre haute pression 13 centré sur l'axe 3 et agencé autour de l'arbre basse pression 11.
Les turbines haute pression 10 et basse pression 12 présentent chacune un ou plusieurs étages de turbine formés par l'alternance de roues d'aubes mobiles, et de distributeurs portant des aubes de stator.
L'invention se focalise sur la conception des aubes de ces turbines 10, 12, et en particulier sur les aubes de stator dont l'une est représentée partiellement sur la figure 2 montrant un premier mode de réalisation préféré.
Sur cette figure, l'aube 20 présente une portion aérodynamique 22, une tête 24, ainsi qu'un pied (non représenté). La portion aérodynamique 22 est délimitée par une surface aérodynamique extérieure 26 définissant un bord d'attaque 28, un bord de fuite 30, une partie extrados 32 ainsi qu'une partie intrados 34.
L'une des particularités de l'invention réside dans la structuration d'au moins une partie de la surface aérodynamique extérieure 26, par la mise en œuvre de cavités prenant ici la forme d'alvéoles 40 générant des turbulences sur l'écoulement d'air qui traverse l'aube en fonctionnement.
Ces alvéoles 40 sont des petites cavités, à fond fermé, pratiquées de manière à s'évaser dans la direction allant du fond vers l'ouverture, cette dernière étant située au niveau de la partie lisse de la surface extérieure 26. La multiplicité de ces alvéoles permet d'obtenir un effet dit Riblet, similaire à celui rencontré sur les balles de golf. Le principe réside en effet dans la génération de turbulences au niveau des alvéoles, de manière à ce que ces turbulences attirent l'air dans ces alvéoles et génèrent un ralentissement de l'écoulement dans celles-ci. Une pellicule d'air se forme alors sur la surface aérodynamique extérieure de l'aube, grâce à ce ralentissement d'écoulement provoqué par les alvéoles, au niveau de la couche limite. Il en découle avantageusement un écoulement du type air / air dont les frottements sont particulièrement faibles, et propices à l'obtention de performances globales accrues.
Ces alvéoles 40 sont préférentiellement réalisées sur une portion ou sur la totalité des parties extrados 32 et intrados 34. Pour une efficacité renforcée, la densité d'alvéoles dans les parties structurées de la surface 26 est fixée à une valeur supérieure à 1 alvéole/cm2. De préférence, cette densité est observée sur au moins 80% de la surface aérodynamique extérieure 26 de l'aube, et encore plus préférentiellement sur au moins 90% de celle-ci.
Pour ce faire, les alvéoles 40 sont par exemple agencées en matrice, avec les lignes de la matrice sensiblement orientées selon une direction de l'écoulement d'air sur la surface 26, durant le fonctionnement de la turbomachine. Cet agencement est représenté de manière agrandie en vue de face sur la figure 3a. En alternative, une disposition en quinconce peut être adoptée, sans sortir du cadre de l'invention et comme représenté sur la figure 3b. Cette disposition en quinconce est également appelée « à maillage hexagonal ».
Les figures 3a et 4 montrent le dimensionnement des alvéoles 40, qui prennent ici la forme d'une sphère tronquée, par exemple selon un plan diamétral. Pour obtenir la densité désirée, il est de préférence prévu que chaque alvéole 40 présente au niveau de la surface aérodynamique une ouverture 42, opposée au fond 44, dont la plus grande dimension « Gd » est comprise entre 0,1 et 4 mm. Dans ce premier mode de réalisation, l'ouverture 42 présente une forme circulaire dont le diamètre correspond à cette grande dimension. La profondeur « P » de chaque ouverture 42 est quant à elle comprise entre 0,05 et 2 mm. Enfin, l'espacement « E » entre les centres 46 de deux alvéoles quelconques directement consécutives est de préférence compris entre 1,5 et 5 mm.
Selon un second mode de réalisation montré sur les figures 5 et 6, chaque alvéole 40 présente une forme d'ellipsoïde tronquée. Les dimensions décrites dans le cadre du premier mode de réalisation sont également applicables à ce second mode. Dans le cas de cette forme d'ellipsoïde tronquée, le grand axe de l'alvéole peut être positionné parallèlement ou perpendiculairement au flux d'air épousant la surface aérodynamique extérieure 26.
Dans le troisième mode de réalisation montré sur les figures 7 et 8, les alvéoles sont remplacées par des stries 40 s'étendant sensiblement parallèlement les unes aux autres. Plus précisément, ces stries 40, également à fonds fermés 44, s'étendent perpendiculairement à une direction principale 41 du flux d'air destiné à s'écouler sur la surface aérodynamique extérieure 26. En d'autres termes, les stries 40 cheminent longitudinalement selon la direction radiale de l'aube, du pied vers la tête 24.
Cet agencement avec des stries permet de générer encore plus efficacement l'effet Riblet. L'espacement « E » entre les centres de deux stries quelconques directement consécutives est également de préférence compris entre 1,5 et 5 mm, tandis que dans la direction 41, chaque strie 40 présente au niveau de la surface 26 une ouverture de largeur « La » comprise entre 0,1 et 4 mm. Préférentiellement, la jonction entre deux stries 40 directement consécutives forme une arête 43.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Aube (20) de turbine pour turbomachine d'aéronef, caractérisée en ce qu'elle comprend une surface aérodynamique extérieure (26) dont au moins une partie présente une pluralité de cavités (40) génératrices de turbulences.
  2. 2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que les cavités sont des alvéoles (40) agencées en matrice ou en quinconce.
  3. 3. Aube selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce qu'au moins une partie de la surface aérodynamique extérieure (26) présente une densité d'alvéoles (40) supérieure à 1 alvéole/cm2.
  4. 4. Aube selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que chaque alvéole (40) présente au niveau de la surface aérodynamique (26) une ouverture (42) dont la plus grande dimension (Gd) est comprise entre 0,1 et 4 mm.
  5. 5. Aube selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que l'espacement (E) entre les centres (46) de deux alvéoles (40) quelconques directement consécutives, est compris entre 1,5 et 5 mm.
  6. 6. Aube selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que chaque alvéole (40) présente une forme de sphère tronquée ou d'ellipsoïde tronquée. 7
  7. 7. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que les cavités sont des stries parallèles (40) s'étendant sensiblement perpendiculairement à une direction principale du flux d'air destiné à s'écouler sur la surface aérodynamique extérieure de l'aube.
  8. 8. Aube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chacune cavité (40) présente une profondeur (P) comprise entre
    0,05 et 2 mm.
    5
  9. 9. Turbine (10, 12) pour turbomachine d'aéronef, comprenant au moins une aube (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  10. 10. Turbomachine (1) d'aéronef comprenant au moins une turbine (10, 12) selon la revendication précédente.
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