FR3089576A1

FR3089576A1 - Rouet centrifuge

Info

Publication number: FR3089576A1
Application number: FR1872381A
Authority: FR
Inventors: Pierre Tarnowski Laurent; Laurent Herran Mathieu
Original assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2038-12-05
Also published as: FR3089576B1

Abstract

Rouet centrifuge présentant un axe de rotation s’étendant d’avant en arrière, et comprenant un corps présentant une partie avant et une partie arrière de plus grande section que la partie avant, le rouet comprenant en outre au moins une pale (20) faisant saillie d’une face avant du corps, la pale (20) ayant un bord d’attaque (20A) et un bord de fuite (20F), caractérisé en ce qu’en vue méridienne, une tangente (T1) au bord d’attaque (20A) dans une partie proximale (20P) du bord d’attaque (20A) forme un angle non nul avec une tangente (T2) au bord d’attaque (20A) dans une partie distale (20D) du bord d’attaque (20A). Figure pour l’abrégé : figure 2

Description

Titre de l'invention : Rouet centrifuge

Domaine technique

[0001] Le présent exposé concerne un rouet centrifuge de compresseur destiné à être traversé par un fluide et, notamment, par un gaz. Ce rouet est destiné, en particulier, à équiper un compresseur de turbomachine. Ce rouet peut équiper tout type de turbomachine, terrestre ou aéronautique, et notamment un turbomoteur d'hélicoptère.

Technique antérieure

[0002] On connaît, par exemple de la demande de brevet FR 2 946 399 de la Demanderesse, un rouet centrifuge présentant un axe de rotation s’étendant d’avant en arrière, et comprenant un corps présentant une partie avant et une partie arrière de plus grande section que la partie avant, le rouet comprenant en outre au moins une pale faisant saillie d’une face avant du corps, la pale ayant un bord d’attaque et un bord de fuite. La rotation de ce rouet aspire le fluide par l’avant du rouet, la vitesse axiale du fluide traversant le rouet se transformant progressivement en vitesse radiale, le fluide sortant à la périphérie extérieure du rouet, au niveau du bord de fuite des pales.

[0003] Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du fluide traversant le rouet.

[0004] Par ailleurs, l'axe de rotation du rouet est souvent appelé plus simplement « axe du rouet ». La direction axiale correspond à la direction de l'axe du rouet, 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 rouet et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet axe. Les adverbes « axialement » et « radialement » font respectivement référence à la direction axiale et à une direction radiale. Une circonférence s’entend comme un cercle appartenant à un plan radial et dont le centre appartient à l’axe du rouet. Une direction tangentielle ou circonférentielle est une direction tangente à une circonférence ; elle est perpendiculaire à l’axe du rouet mais ne passe pas par l’axe.

[0005] Sauf précision contraire, les adjectifs « intérieur » et « extérieur » sont utilisés en référence à une direction radiale, la partie intérieure (i.e. radialement intérieure) d'un élément étant plus proche de l'axe du rouet que la partie extérieure (i.e. radialement extérieure) du même élément.

[0006] Enfin, sauf précision contraire, les adjectifs « avant » et « arrière » sont utilisés en référence à la direction axiale, le fluide entrant à l’avant du rouet.

[0007] Un compresseur de turbomachine aéronautique (par exemple de turbomoteur d’hélicoptère) de type centrifuge ou de type mixte axial-centrifuge comprend un ou plusieurs étage de compression avec un rouet centrifuge du type précité (également appelé rotor ou roue centrifuge), un carter entourant extérieurement les pales de ce rouet, et un ou plusieurs diffuseurs situés en aval de ce rouet. Un tel compresseur est traversé par un fluide qui est un gaz, généralement de l'air.

[0008] Dans le cadre du besoin constant d’amélioration des performances aérodynamiques, il existe un besoin pour un nouveau type de rouet centrifuge.

Exposé de l’invention

[0009] A cet effet, le présent exposé concerne un rouet centrifuge présentant un axe de rotation s’étendant d’avant en arrière, et comprenant un corps présentant une partie avant et une partie arrière de plus grande section que la partie avant, le rouet comprenant en outre au moins une pale faisant saillie d’une face avant du corps, la pale ayant un bord d’attaque et un bord de fuite, caractérisé en ce qu’en vue méridienne, une tangente au bord d’attaque dans une partie proximale du bord d’attaque forme un angle non nul avec une tangente au bord d’attaque dans une partie distale du bord d’attaque.

[0010] Le bord d’attaque de la pale est situé davantage à l’avant que le bord de fuite. Le corps peut s’étendre autour de l’axe de rotation du rouet.

[0011] Une vue méridienne d’une pale est la projection de la pale sur un plan axial tel que défini ci-dessus, aussi appelé en l’occurrence plan méridien, chaque point de la pale étant projeté sur ledit plan axial en suivant une direction circonférentielle passant par ce point. Ainsi, la vue méridienne conserve le rayon de chaque point de la pale mais ignore la position tangentielle relative des points les uns par rapport aux autres. Cette projection est donc indépendante du plan axial choisi. La vue méridienne montre la géométrie de la pale en s’affranchissant de la torsion de la pale sur elle-même.

[0012] La partie proximale du bord d’attaque, ou de la pale, est la partie la plus proche du corps du rouet. Cette zone est couramment appelée le pied de la pale. La partie distale du bord d’attaque, ou de la pale, est la partie la plus éloignée du corps du rouet. Cette zone est couramment appelée la tête de la pale.

[0013] Par exemple, la partie proximale du bord d’attaque peut être comprise entre 0% et 30% de la hauteur du bord d’attaque, de préférence entre 0% et 20%, de préférence encore entre 0% et 10%. Par exemple, la partie distale du bord d’attaque peut être comprise entre 70% et 100% de la hauteur du bord d’attaque, de préférence entre 80% et 100%, de préférence encore entre 90% et 100%. Dans le présent exposé, la hauteur est mesurée de manière relative de sorte qu’une hauteur de 0% correspond à l’extrémité proximale du bord d’attaque, en pied de pale, au contact du corps du rouet, et une hauteur de 100% correspond à l’extrémité distale du bord d’attaque, en tête de pale. La hauteur est mesurée en projection sur un axe radial.

[0014] Dans certains modes de réalisation, une tangente au bord d’attaque à l’extrémité proximale du bord d’attaque forme un angle non nul avec une tangente au bord d’attaque à l’extrémité distale du bord d’attaque. Alternativement ou en complément, une tangente au bord d’attaque en tout point d’une partie proximale du bord d’attaque forme un angle non nul avec une tangente au bord d’attaque en tout point d’une partie distale du bord d’attaque.

[0015] Grâce au fait qu’en vue méridienne, une tangente au bord d’attaque dans une partie proximale du bord d’attaque forme un angle non nul avec une tangente au bord d’attaque dans une partie distale du bord d’attaque, il est possible de découpler la forme du bord d’attaque en tête de pale et en pied de pale. Par exemple, en pied de pale, la tangente au bord d’attaque peut être choisie pour assurer la tenue mécanique et maîtriser la section de col, c’est-à-dire l’aire de la surface d’entrée du fluide dans le rouet, au niveau des bords d’attaques des pales, tandis qu’en tête de pale, la tangente peut être choisie pour réduire le nombre de Mach de l’écoulement dans la partie distale de la pale, ce qui entraîne une réduction des contraintes statiques et une amélioration des performances aérodynamiques, en particulier du rendement transsonique. En outre, ce gain peut être utilisé pour amincir le profil de la pale, par exemple en pied de pale.

[0016] Du fait de l’angle non-nul entre les tangentes précitées, on comprend que le bord d’attaque est non-rectiligne, par exemple en ligne brisée et/ou présentant un ou plusieurs arrondis.

[0017] Dans certains modes de réalisation, en vue méridienne, le bord d’attaque est convexe. Conformément à la définition mathématique de la convexité, en vue méridienne, un segment de droite reliant deux points du bord d’attaque est situé à l’intérieur de la pale. La convexité permet de limiter l’augmentation de la section au col du rouet.

[0018] Dans certains modes de réalisation, en vue méridienne, l’extrémité distale du bord d’attaque est située davantage vers l’arrière que l’extrémité proximale du bord d’attaque. L’écoulement étant plus rapide à l’extrémité distale, ces caractéristiques permettent de réduire l’intensité du choc lié à l’écoulement.

[0019] Dans certains modes de réalisation, en vue méridienne, le bord d’attaque est au moins partiellement courbe. Par exemple, le bord d’attaque peut adopter une forme en quart d’ellipse ou en demi-cuillère.

[0020] Dans certains modes de réalisation, en vue méridienne, la courbure du bord d’attaque varie, de préférence en augmentant, depuis la partie proximale du bord d’attaque vers la partie distale du bord d’attaque, de préférence depuis l’extrémité proximale du bord d’attaque vers l’extrémité distale du bord d’attaque. La courbure désigne, classiquement, l’inverse du rayon de courbure. Dans ces modes de réalisation, l’effet sur la force du choc lié à l’écoulement supersonique est mieux localisé, sans que la zone d’écoulement sub sonique ne soit significativement impactée.

[0021] Dans certains modes de réalisation, en vue méridienne, ladite tangente au bord d’attaque dans une partie distale forme un angle d’au moins 20° avec un rayon du rouet, de préférence d’au moins 30°, de préférence d’au moins 40°, de préférence d’au moins 45°. La tangente peut être la tangente au bord d’attaque à son extrémité distale. En outre, dans certains modes de réalisation, la tangente au bord d’attaque en tout point de la partie distale peut former un tel angle.

[0022] Une inclinaison importante en tête de pale permet de mieux réduire le nombre de Mach en tête de pale.

[0023] Dans certains modes de réalisation, en vue méridienne, ladite tangente au bord d’attaque dans une partie proximale forme un angle d’au plus 10° avec un rayon du rouet, de préférence d’au plus 8°, de préférence d’au plus 5°, de préférence d’au plus 3°.. La tangente peut être la tangente au bord d’attaque à son extrémité proximale. En outre, dans certains modes de réalisation, la tangente au bord d’attaque en tout point de la partie proximale peut former un tel angle.

[0024] Une inclinaison quasi-radiale en pied de pale permet de limiter significativement l’augmentation de la section de col.

[0025] Dans certains modes de réalisation, en vue méridienne, l’abscisse axiale de l’extrémité distale du bord d’attaque est supérieure, d’au moins 10% de l’abscisse méridienne totale de la pale, à l’abscisse axiale d’un premier point du bord d’attaque situé entre 60% et 80% de la hauteur du bord d’attaque à partir de l’extrémité proximale. La hauteur sur le bord d’attaque est mesurée en projection sur un axe radial, comme indiqué précédemment. L’abscisse axiale est mesurée en projection sur la direction axiale, l’abscisse axiale étant croissante de l’avant vers l’arrière du rouet. L’abscisse méridienne totale de la pale est l’abscisse dans le plan méridien, mesurée ici le long de la tête de la pale (de manière curviligne dans le plan méridien), plus précisément le long de la courbe de hauteur curviligne égale à 100%, aussi appelée méridienne externe de la pale. L’abscisse méridienne totale est, en d’autres termes, la longueur de cette courbe.

[0026] En d’autres termes, le bord d’attaque présente, en tête de pale, en l’occurrence à partir dudit premier point, un recul important. Cela permet aussi de mieux réduire le nombre de Mach en tête de pale.

[0027] Dans certains modes de réalisation, l’abscisse axiale de ladite extrémité distale du bord d’attaque est supérieure, d’au plus 20% de l’abscisse méridienne totale de la pale, à l’abscisse axiale dudit premier point du bord d’attaque.

[0028] Comme évoqué précédemment, le rouet peut comprendre une pluralité de pales. Chacune de ces pales peut avoir tout ou partie des caractéristiques exposées précédemment. En particulier, un tel rouet centrifuge peut comprendre deux types de pales : des pales dites « principales » et des pales dites « intermédiaires ». Les pales intermédiaires, optionnelles, sont intercalées entre les pales principales et se différencient de ces dernières en ce qu’elles sont plus courtes axialement : elles présentent une partie avant plus courte, le bord d’attaque des pales intermédiaires se situant en retrait (i.e. en arrière) par rapport au bord d’attaque des pales principales.

[0029] Selon un mode de réalisation, le rouet ne comprend que des pales principales (i.e. pas de pales intermédiaires) et ces pales principales présentent un bord d’attaque du type précité.

[0030] Selon un autre mode de réalisation, le rouet comprend des pales principales et des pales intermédiaires. Dans ce cas, soit les pales principales sont les seules à présenter un bord d’attaque du type précité, soit les pales intermédiaires sont les seules à présenter un bord d’attaque du type précité, soit les pales principales et les pales intermédiaires présentent un bord d’attaque du type précité.

[0031] Le présent exposé concerne également un compresseur mono-centrifuge (i.e. comprenant un unique rouet centrifuge), axial-centrifuge (i.e. comprenant une roue de compresseur axiale et un rouet centrifuge) ou bi-centrifuge (i.e. comprenant deux rouets centrifuges), comprenant au moins un rouet centrifuge tel que précédemment décrit.

[0032] Le présent exposé concerne également une turbomachine, notamment une turbomachine d’aéronef, par exemple d’hélicoptère, comprenant un rouet centrifuge tel que précédemment décrit.

Brève description des dessins

[0033] L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :

[0034] [fig.l]

La figure 1 représente schématiquement, en coupe, un turbomoteur d’hélicoptère.

[0035] [fig.2]

La figure 2 représente une vue méridienne d’une pale de rouet centrifuge selon un mode de réalisation.

Description des modes de réalisation

[0036] L’exemple de turbomoteur 100 d’hélicoptère représenté sur la figure 1 comprend un compresseur 10 de type bi-centrifuge comprenant un premier rouet centrifuge 12 et un deuxième rouet centrifuge 14, chacun de ces rouets correspondant à un étage de compression. Le compresseur 10 comprend en outre un carter 16 entourant extérieurement les pales 20, 22 du premier rouet 12. Un diffuseur 18 est situé en aval du premier rouet 12 et guide l’air sortant du premier rouet 12 vers l’entrée du deuxième rouet 14.

[0037] Le turbomoteur 10 présente une entrée d’air 30, l’air passant par cette entrée 30 pour atteindre le compresseur 10. La rotation du premier rouet 12 autour de son axe de rotation A, aspire l’air par l’avant du rouet et la vitesse axiale du fluide qui traverse le rouet 12 se transforme progressivement en vitesse radiale, le fluide sortant à la périphérie extérieure du rouet 12. L’air pénètre dans le rouet 12 suivant une direction plutôt parallèle à l’axe A de rotation du rouet, représentée sur la coupe de la figure 1 par les flèches Ll, et sort du rouet 12 suivant une direction plutôt perpendiculaire à l’axe A, représentée par les flèches L2.

[0038] L’air sortant du premier rouet 12 traverse le diffuseur 18 avant d’atteindre le deuxième rouet 14, dans lequel il subit une transformation similaire, puis la chambre de combustion 32. Les gaz de combustion sortant de la chambre 32 entraînent une turbine haute pression 34 et une turbine libre 36.

[0039] Le deuxième rouet 14, parfois appelé compresseur haute pression, est monté sur un arbre 38 qui est entraîné en rotation par la turbine haute pression 34. Le premier rouet 12, parfois appelé compresseur basse pression, est également monté sur l’arbre 38.

[0040] Le premier rouet 12 peut être un rouet trans sonique, ce qui signifie que, dans le référentiel du rouet, une partie de l’écoulement, radialement à l’extérieur, acquiert une vitesse supersonique lors de son passage dans le rouet, tandis qu’une autre partie de l’écoulement, radialement à l’intérieur, conserve une vitesse subsonique.

[0041] En référence à la figure 1, le premier rouet 12 présente une partie avant de petite section et une partie arrière de grande section. Le rouet 12 comporte une pluralité de pales principales 20 s’étendant, axialement, depuis la face avant du premier rouet 12 jusqu’à un flasque radial 24 situé à l’arrière du rouet 12 et, radialement, depuis le moyeu du rouet jusqu’à la périphérie extérieure du rouet. Chacune des pales principales 20 présente un bord d’attaque 20A situé à l’extrémité avant du rouet 12 et un bord de fuite 20E situé à la périphérie extérieure du rouet 12, juste en avant du flasque radial 24.

[0042] Le premier rouet 12 comporte en outre, de manière optionnelle, des pales intermédiaires 22, intercalées entre les pales principales 20 et qui se différencient de ces dernières en ce qu’elles sont plus courtes axialement : le bord d’attaque 22A de ces pales 22 se situe en retrait (i.e. en arrière) par rapport au bord d’attaque 20A des pales principales 20. En revanche, le bord de fuite 22E des pales intermédiaires 22 se situe à la même distance radiale de l’axe A que le bord de fuite 20E des pales 20.

[0043] La figure 2 représente en détail, en vue méridienne, une pale principale 20 du premier rouet 12. Comme indiqué précédemment, le plan de la figure 2 est appelé plan méridien. Ce plan méridien est ici muni d’un repère orthogonal formé d’une part par l’axe du premier rouet 12 et d’autre part par un rayon R du premier rouet 12, l’axe du premier rouet 12 étant translaté de sorte que l’origine du repère corresponde à l’extrémité proximale 200 du bord d’attaque 20A de la pale 20. L’abscisse axiale est mesurée le long de l’axe du premier rouet 12 et la hauteur est mesurée le long du rayon

R.

[0044] En vue méridienne, le bord d’attaque 20A présente un profil particulier. Plus précisément, une tangente Tl au bord d’attaque 20A dans une partie proximale 20P du bord d’attaque 20A forme un angle B non nul avec une tangente T2 au bord d’attaque 20A dans une partie distale 20D du bord d’attaque 20A. En l’occurrence, les tangentes Tl et T2 sont respectivement prises aux extrémités proximale 200 et distale 201 du bord d’attaque 20A, mais elles pourraient être prise en d’autres points des parties proximale 20P et distale 20D, respectivement.

[0045] L’angle B formé entre lesdites tangentes Tl et T2 vaut ici environ 48°. Plus précisément, la tangente Tl au bord d’attaque 20A dans une partie proximale 20P du bord d’attaque 20A forme un angle RI avec un rayon R du rouet 12. Ici, l’angle RI vaut environ 2°. Par ailleurs, la tangente T2 au bord d’attaque 20A dans une partie distale 20D du bord d’attaque 20A forme un angle R2 avec un rayon R du rouet 12. Ici, l’angle RI vaut environ 50°.

[0046] Dans ce mode de réalisation, en vue méridienne, le bord d’attaque 20A est convexe. Comme illustré sur la figure 2, le bord d’attaque 20A présente, en vue méridienne, un ventre saillant vers l’avant du rouet 12. Ici, le ventre a une forme en demi-cuillère. Ainsi, le bord d’attaque 20A peut être courbe en vue méridienne, au moins partiellement ou, comme illustré, en totalité.

[0047] Par ailleurs, en vue méridienne, l’extrémité distale 201 du bord d’attaque 20A est située davantage vers l’arrière du rouet 12 que l’extrémité proximale 200 du bord d’attaque 20A.

[0048] La courbure du bord d’attaque 20A varie, ici en augmentant, depuis la partie proximale 20P du bord d’attaque 20A vers la partie distale 20D du bord d’attaque 20A. Ainsi, la partie distale 20D peut présenter un retrait relativement fort par rapport à un rayon R du rouet 12, tandis que la partie proximale 20P présente un retrait relativement faible par rapport à un rayon R du rouet 12. Par exemple, la partie proximale 20P peut être linéaire ou quasi-linéaire.

[0049] D’un point de vue quantitatif, en vue méridienne, on considère un point M du bord d’attaque 20A, situé entre 60% et 80% de la hauteur du bord d’attaque 20A à partir de l’extrémité proximale 200, mesurée de manière curviligne. Le point M forme un premier point. Par ailleurs, l’extrémité distale 201 forme un deuxième point. Du fait du fort retrait en tête de pale, l’abscisse méridienne axiale de l’extrémité distale 201 est supérieure, d’au moins 10% de l’abscisse méridienne totale de la pale 20, à l’abscisse axiale du premier point M.

[0050] La description qui précède détaille l’exemple du premier rouet 12, mais les caractéristiques énoncées peuvent se transposer au deuxième rouet 14. Plus généralement, ces caractéristiques peuvent se transposer sur des rouets appartenant à d’autres types de compresseurs, par exemple des compresseurs mono-centrifuge ou des compresseurs mixtes axial-centrifuge.

[0051] Bien que la présente description se réfère 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

Revendications [Revendication 1] Rouet (12) centrifuge présentant un axe de rotation (A) s’étendant d’avant en arrière, et comprenant un corps présentant une partie avant et une partie arrière de plus grande section que la partie avant, le rouet comprenant en outre au moins une pale (20) faisant saillie d’une face avant du corps, la pale (20) ayant un bord d’attaque (20A) et un bord de fuite (20F), caractérisé en ce qu’en vue méridienne, une tangente (Tl) au bord d’attaque (20A) dans une partie proximale (20P) du bord d’attaque (20A) forme un angle non nul avec une tangente (T2) au bord d’attaque (20A) dans une partie distale (20D) du bord d’attaque (20A). [Revendication 2] Rouet (12) centrifuge selon la revendication 1, dans lequel, en vue méridienne, le bord d’attaque (20A) est convexe. [Revendication 3] Rouet (12) centrifuge selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, en vue méridienne, l’extrémité distale (201) du bord d’attaque (20A) est située davantage vers l’arrière que l’extrémité proximale (200) du bord d’attaque (20A). [Revendication 4] Rouet (12) centrifuge selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, en vue méridienne, le bord d’attaque (20A) est au moins partiellement courbe. [Revendication 5] Rouet (12) centrifuge selon la revendication 4, dans lequel, en vue méridienne, la courbure du bord d’attaque (20A) varie, de préférence en augmentant, depuis la partie proximale (20P) du bord d’attaque (20A) vers la partie distale (20D) du bord d’attaque (20A). [Revendication 6] Rouet (12) centrifuge selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel, en vue méridienne, ladite tangente (T2) au bord d’attaque (20A) dans une partie distale forme un angle d’au moins 20° avec un rayon (R) du rouet (12), de préférence d’au moins 30°, de préférence d’au moins 40°, de préférence d’au moins 45°. [Revendication 7] Rouet (12) centrifuge selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel, en vue méridienne, ladite tangente (Tl) au bord d’attaque (20A) dans une partie proximale (20P) forme un angle d’au plus 10° avec un rayon (R) du rouet (12), de préférence d’au plus 8°, de préférence d’au plus 5°, de préférence d’au plus 3°. [Revendication 8] Rouet (12) centrifuge selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel, en vue méridienne, l’abscisse axiale de l’extrémité distale (201) du bord d’attaque (20A) est supérieure, d’au moins 10% de l’abscisse méridienne totale de la pale (20), à l’abscisse axiale d’un

[Revendication 9] [Revendication 10] premier point (M) du bord d’attaque (20A) situé entre 60% et 80% de la hauteur du bord d’attaque (20A) à partir de l’extrémité proximale (200). Compresseur mono-centrifuge, axial-centrifuge ou bicentrifuge comprenant au moins un rouet (12) centrifuge selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.

Turbomachine (100) comprenant un rouet (12) centrifuge selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.