FR3117155A1

FR3117155A1 - Aube de compresseur

Info

Publication number: FR3117155A1
Application number: FR2012705A
Authority: FR
Inventors: Felipe Winston Gomez Moyano; Sylvain Frédéric AVAKIAN; Corentin Maurice Serge Huguin
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2040-12-04
Also published as: FR3117155B1

Abstract

La présente invention concerne une aube (1) d’un compresseur centrifuge ou mixte (10) présentant une pale (2) propre à s’étendre dans un flux d’air traversant le compresseur centrifuge ou mixte (10) et configurée pour être fixée sur une virole (3) du compresseur centrifuge ou mixte (10), la pale (2) comprenant :- une portion axiale (20) comprenant un bord d’attaque (22) ; et- une portion radiale (24) qui s’étend depuis la portion axiale (20) et comprend un bord de fuite (25).De plus, un sommet de la pale (2) présente un biseau (27) au niveau du bord d’attaque (22). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Aube de compresseur

DOMAINE DE L'INVENTION

L’invention concerne le domaine des turbomachines et plus particulièrement la fabrication et le dimensionnement de compresseurs de telles turbomachines.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Une turbomachine à double flux comprend généralement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, une soufflante, un espace annulaire d’écoulement primaire et un espace annulaire d’écoulement secondaire qui est extérieurement par rapport à l’écoulement primaire. La masse d’air aspirée par la soufflante est donc divisée en un flux primaire, qui circule dans l’espace d’écoulement primaire, et en un flux secondaire, qui est concentrique avec le flux primaire et circule dans l’espace d’écoulement secondaire. La soufflante (ou hélice) peut être carénée et logée dans un carter de soufflante ou en variante non carénée du type USF (acronyme anglais de Unducted Single Fan, pour soufflante unique non carénée). Les aubes de soufflante peuvent être fixes ou présenter un calage variable, le calage étant ajusté en fonction des phases de vol par un mécanisme de changement de pas.

L’espace d’écoulement primaire traverse un corps primaire comprenant un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression (ou booster) et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d’échappement des gaz. Typiquement, la turbine haute pression entraine en rotation le compresseur haute pression par l’intermédiaire d’un premier arbre, dit arbre haute pression, tandis que la turbine basse pression entraine en rotation le compresseur basse pression et la soufflante par l’intermédiaire d’un deuxième arbre, dit arbre basse pression.

De manière connue en soi, les compresseurs sont réalisés sous la forme d'une succession d'étages comprenant chacun une roue d'aubes mobiles (rotor) tournant devant une roue d'aubes fixes (stator, ou redresseur). Chaque roue mobile comprend en particulier une pluralité d’aubes s’étendant radialement depuis l’axe moteur. Le compresseur peut être centrifuge ou mixte et comprendre un rouet présentant un disque et des aubes s’étendant depuis le disque. Chaque aube comprend une pale avec une portion axiale, s’étendant sensiblement parallèlement à l’axe de rotation du rouet, et une portion radiale, s’étendant depuis la portion axiale.

En fonctionnement, les aubes mobiles peuvent entrer en résonnance. Dans le cadre de la certification de la turbomachine, il est nécessaire de réaliser un essai moteur de type des tests vibratoires d’endurance et de fatigue permettent notamment de surveiller leur réponse vibratoire. Ces tests sont nécessaires pour s’assurer que les réponses dynamiques des aubes sont acceptables et sans risque.

Au cours de ces tests, il est possible que la réponse vibratoire de certaines pièces usinées ne corresponde pas à la réponse vibratoire attendue, et soit par exemple, supérieure à une réponse vibratoire permettant d’obtenir une certification. Dans ce cadre, le Demandeur a constaté que le rouet du compresseur pouvait présenter des réponses vibratoires supérieures aux valeurs théoriques admises en raison d’un phénomène de concomitance vibratoire entre le mode de flexion des pales et le mode de flexion de l’ensemble constitué de la pale et du disque Un tel phénomène peut ne pas être jugé critique durant la conception du rouet et ne s’avérer non acceptable qu’au moment de la certification.

Une solution classique serait de redimensionner les pales afin de déplacer les fréquences des modes propres des pales. Toutefois, un tel redimensionnement a un impact sur d’autres critères de conception, tels que la performance aérodynamique du rouet, ce qui n’est pas envisageable à un stade avancé du dimensionnement de la turbomachine.

Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités et de proposer une solution permettant de supprimer les phénomènes de concomitance vibratoire dans un rouet d’un compresseur, notamment un compresseur haute pression centrifuge ou mixte, et d’obtenir une réponse vibratoire respectant les exigences de certification sans pour autant nécessiter un redimensionnement du rouet.

Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention une d’un compresseur centrifuge ou mixte présentant une pale propre à s’étendre dans un flux d’air traversant le compresseur centrifuge ou mixte et configurée pour être fixée sur une virole du compresseur centrifuge ou mixte, la pale comprenant :
- une portion axiale comprenant un bord d’attaque ; et
- une portion radiale qui s’étend depuis la portion axiale et comprend un bord de fuite.

Par ailleurs, un sommet de la pale présente un biseau au niveau du bord d’attaque.

Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de l’aube selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- la pale présente une hauteur prédéterminée entre la virole et le sommet au niveau du bord d’attaque et le biseau s’étend depuis une hauteur comprise entre 60 % et 95% de la hauteur de la pale de préférence entre 70 % et 90 % ;
- le biseau présente une dimension suivant un axe radial qui est comprise entre 2 mm et 12 mm, de préférence entre 5 mm et 11 mm ; et/ou
- le biseau présente une longueur comprise entre 1 % et 8 % d’une longueur curviligne totale de la pale, de préférence entre 1 % et 5 % de la longueur curviligne totale, qui peut être comprise entre 2 mm et 12 mm, de préférence entre 5 mm et 8 mm.

Selon un deuxième aspect, l’invention propose un compresseur centrifuge ou mixte comprenant une pluralité d’aubes, au moins une aube étant conforme au premier aspect.

Les aubes peuvent notamment comprendre des aubes principales et des aubes intercalaires, tout ou partie des aubes principales et/ou des aubes intercalaires étant conformes à l’aube selon le premier aspect.

Selon un troisième aspect, l’invention propose une turbomachine comprenant un compresseur centrifuge ou mixte selon le deuxième aspect et un aéronef comprenant une telle turbomachine.

Selon un quatrième aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’une aube d’un compresseur centrifuge ou mixte selon le premier aspect, comprenant les étapes suivantes :
S1 : réalisation de la pale ; et
S2 : réalisation du biseau.

Le cas échéant, les étapes S1 et S2 peuvent être simultanées, le biseau étant obtenu directement lors de la réalisation de la pale.

Par ailleurs, l’étape S2 peut être réalisée par découpe de la pale obtenue à l’étape S1.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

La illustre de façon schématique une turbomachine à double corps.

La illustre de façon schématique un rouet comprenant des aubes selon un mode de réalisation de l’invention.

La illustre schématiquement une aube de compresseur centrifuge selon un mode de réalisation de l’invention.

La illustre schématiquement un procédé de fabrication d’une aube selon un mode de réalisation de l’invention.

Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Un compresseur 10 comprend généralement une succession d'étages comprenant chacun une roue d'aubes mobiles (rotor) tournant devant une roue d'aubes fixes (stator, ou redresseur). Dans le cas d’un compresseur centrifuge ou mixte 10, le compresseur 10 comprend une roue mobile sous la forme d’un rouet présentant un disque comprenant une virole 3 interne et des aubes 1s’étendant depuis la virole 3.

Dans une forme de réalisation, le rouet comprend en particulier une pluralité d’aubes 1 dites principales et d’aubes 1 dites intercalaires, chaque aube 1 intercalaire étant positionnée entre deux aubes 1 principales adjacentes. Les aubes 1 principales s’étendent en amont par rapport aux aubes 1 intercalaires ( ).Dans ce qui suit, l’invention sera décrite en relation avec un rouet comprenant une pluralité d’aubes principales et intercalaires. Toutefois, ceci n’est pas limitatif, l’invention trouvant également application dans les rouets comprennent uniquement un type de pales, typiquement des pales principales.

On notera que l’invention s’applique à tout ou partie des aubes 1 principales et/ou des aubes 1 intercalaires du rouet. Dans une forme de réalisation, l’invention s’applique à toutes les aubes 1 principales et toutes les aubes 1 intercalaires du rouet.

De plus, la direction axiale correspond à la direction de l'axe X de révolution du rouet du compresseur 10, et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe et passant par lui. Enfin, on utilisera intérieur et extérieur, respectivement, en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure d'un élément est plus proche de l'axe X que la partie extérieure du même élément.

Une aube 1 comprend un pied, fixé sur la virole 3 du disque, et une pale 2 à profil aérodynamique s’étendant depuis le pied en étant propre à être placée dans un flux d’air, lorsque la turbomachine est en fonctionnement, afin de d’accélérer le flux d’air en le déviant par rapport à l’axe de rotation X du rouet. La pale 2 présente, de manière connue en soi, un sommet 26 (ou tête) opposé au pied.

La pale 2 de l’aube 1 comprend un bord d’attaque 22 et un bord de fuite 25. Le bord d’attaque 22 est configuré pour s’étendre en regard de l'écoulement des gaz entrant dans le rouet. Il correspond à la partie antérieure d'un profil aérodynamique qui fait face au flux d'air et qui divise l'écoulement d'air en un écoulement d'intrados et en un écoulement extrados. Le bord de fuite 25 quant à lui correspond à la partie postérieure du profil aérodynamique où se rejoignent les écoulements intrados et extrados. Le rouet étant centrifuge, le bord de fuite 25 s’étend radialement à l’extérieur du bord d’attaque 22.

La pale 2 présente une portion axiale 20 s’étendant sensiblement parallèlement à l’axe de rotation du rouet, et une portion radiale 24, s’étendant depuis la portion axiale 20. La portion axiale 20 s’étend en amont de la portion radiale 24 (par rapport au sens d’écoulement des gaz dans le rouet). La portion axiale 20 comprend le bord d’attaque 22 de la pale 2 tandis que la portion radiale 24 s’étend depuis la portion axiale 20 et comprend le bord de fuite 25 de la pale 2.

Afin de supprimer les phénomènes de concomitance vibratoire dans le rouet, le sommet 26 de la pale 2 présente un biseau 27 au niveau du bord d’attaque 22. Ainsi, la pale 2 est plus courte axialement au niveau de son sommet 26 qu’au niveau de son pied.

Le Demandeur s’est aperçu du fait que l’apparition du phénomène de concomitance vibratoire est dû au rapprochement des fréquences propres des modes de flexion d’une pale 2 et des fréquences propres des modes de flexion de l’ensemble constitué de la pale 2 et du disque. Le rapprochement des fréquences propres des pales 2 et/ou du disque peut être causé par une modification des épaisseurs des pales 2.

Grâce au biseau 27 présent sur la pale 2, les fréquences propres des modes propres de flexion de la pale 2 sont déplacées (en comparaison avec une pale conventionnelle dépourvue de biseau) tandis que les fréquences propres des modes propres de l’ensemble constitué de la pale 2 et du disque associés ne sont pas modifiées. En effet, le biseau 27 est réalisé au sommet 26 de l’aube, où la réponse vibratoire de la pale 2 est la plus importante. Le biseau 27 permet en outre de réduire la masse qui bouge de la pale 2 et donc d’augmenter le rapport raideur/masse de la pale 2. La pale 2 avec biseau 27 présente ainsi des fréquences de modes plus élevées que la même pale sans biseau 27.

Ainsi, la présence d’un biseau 27 déplace fréquentiellement le premier mode de flexion de la pale 2 sans déplacer fréquentiellement le premier mode de l’ensemble constitué de la pale 2 et du disque.

Le dimensionnement du biseau 27 permet de modifier la masse en vibration de la pale 2 et donc de contrôler le positionnement fréquentiel des modes de flexions de la pale 2.

Dans un mode de réalisation, les dimensions du biseau 27 sont déterminées de sorte à ce que l’écart entre les fréquences des modes propres de flexions de la pale 2 et de l’ensemble constitué de la pale 2 et du disque, soit, par exemple, supérieur ou égal à 2% de l’une des fréquences.

Le biseau 27 présente une limite radialement intérieure (au niveau du bord d’attaque 22) et une limite radialement extérieure (au niveau du sommet 26), la limite intérieure du biseau 27 étant plus proche de l'axe X que sa limite extérieure.

La pale 2 présente par ailleurs une hauteur totale h, correspondant à la distance suivant la direction radiale entre le pied de la pale 2 et son sommet 26, au niveau de la limite extérieure du biseau 27. Par ailleurs, on définit une hauteur B suivant l’axe radial correspondant à la distance suivant l’axe radial entre le pied de la pale 2 et la limite intérieure du biseau 27. Dans un mode de réalisation, la hauteur B, depuis laquelle s’étend le biseau 27, est comprise entre 60 % et 95 % de la hauteur totale h de la pale 2, de préférence entre 70 % et 90 % de la hauteur totale h.

Le biseau 27 présente quant à lui une hauteur H qui correspond à la distance (en projection sur un axe radial à l’axe X et passant par la limite intérieure du biseau 27) entre la limite intérieure du biseau 27 et la limite extérieure du biseau 27. La somme de la hauteur H du biseau et de la hauteur B est donc sensiblement égale à la hauteur totale h de la pale 2. Par exemple, la hauteur H du biseau 27 peut être comprise entre deux millimètres et douze millimètres, de préférence entre cinq millimètres et onze millimètres.

Par ailleurs, la pale 2 présente une longueur curviligne totale prédéterminée et on définit une longueur L du biseau 27 correspondant à la distance (en projection sur un axe parallèle à l’axe X et passant par la limite intérieure du biseau 27) entre l’extrémité intérieure du biseau 27 et l’extrémité extérieure du biseau 27. Dans un mode de réalisation, la longueur L sur laquelle s’étend le biseau 27 est comprise entre 1 % et 8 % de la longueur curviligne totale, de préférence entre 1 % et 5 % de la longueur curviligne totale. Par exemple, dans un mode de réalisation, la longueur L du biseau 27 peut être comprise entre deux millimètres et douze millimètres, de préférence entre trois millimètres et huit millimètres

Dans un mode de réalisation, la hauteur H sur laquelle s’étend le biseau 27 est différente de la longueur L du biseau 27. En variante, la hauteur H et la longueur L sont égales. Par exemple, la hauteur H du biseau 27 et la longueur L du biseau 27 peuvent être choisies parmi les couples suivants en millimètres [(2,34 ; 2,34), (4,62 ; 2,82), (3,35 ; 3,35), (5,38 ; 5,38), (5,38 ; 7,4), (6,39 ; 6,39), (7,4 ; 5,38), (7,4 ; 7,4), (9,39 ; 6,39), (10,46 ; 5,38), , (10,46 ; 10,42)]. Une pale 2 présentant un biseau 27 ayant des dimensions telles que proposées ci-avant est avantageux car ces dimensions permettent de réduire les impacts aérodynamiques liés à la présence du biseau 27 sur la pale 2.

On notera que, plus les dimensions (H ; L) augmentent, plus l’écart fréquentiel entre les deux modes augmente. De plus, le biseau 27 n’impacte pas seulement le premier mode de pale (mode problématique) mais également les autres modes de pale « pur » (sans participation du disque), comme par exemple le deuxième mode de flexion.

Ce dimensionnement du biseau 27 permet de minimiser le volume de pale 2 impacté tout en respectant un écart fréquentiel minimal et inférieur à 5%entre chacun des modes.

On notera que, les pales 2 des aubes 1 intercalaires et des aubes 1 principales peuvent présenter des dimensions de biseau 27 identiques ou différentes.

Dans un mode de réalisation, la pale 2 telle que décrite ci-avant peut être avantageusement fabriquée par un procédé comprenant une étape S1 de réalisation de la pale 2 et une étape S2de réalisation du biseau 27. Un tel procédé est avantageux car il permet, après la fabrication de la pale 2, de monter les pales 2 dans le moteur et d’effectuer des tests, tout en conservant la possibilité de modifier la pale 2 par la suite si nécessaire.

L’étape S1 peut correspond à une étape de fabrication conventionnelle d’une pale 2 ne présentant pas de biseau 27.

Puis, au cours de l’étape S2, le biseau 27 est réalisé dans la pale 2. La réalisation du biseau 27 peut, par exemple, être effectuée par découpe de la pale 2 obtenue à l’étape S1. Par exemple, le biseau 27 peut être réalisé à l’aide d’un gabarit de contrôle permettant ainsi d’obtenir un dimensionnement précis.

En variante, la pale 2 peut être fabriquée par un procédé dans lequel les étapes de fabrication de la pale S1 et de réalisation du biseau S2 sont simultanées. En d’autres termes, le biseau 27 est réalisé directement au cours de l’étape S1 de fabrication de la pale 2.

Claims

Aube (1) d’un compresseur centrifuge ou mixte (10) présentant une pale (2) propre à s’étendre dans un flux d’air traversant le compresseur centrifuge ou mixte (10) et configurée pour être fixée sur une virole (3) du compresseur centrifuge ou mixte (10), la pale (2) comprenant :
- une portion axiale (20) comprenant un bord d’attaque (22) ; et
- une portion radiale (24) qui s’étend depuis la portion axiale (20) et comprend un bord de fuite (25) ;
l’aube (1) étant caractérisée en ce qu’un sommet de la pale (2) présente un biseau (27) au niveau du bord d’attaque (22).
Aube (1) selon la revendication 1, dans laquelle la pale (2) présente une hauteur (h) prédéterminée entre la virole (3) et le sommet (26) au niveau du bord d’attaque (22) et le biseau (27) s’étend depuis une hauteur (B) comprise entre 60 % et 95 % de la hauteur de la pale (2), de préférence entre 70 % et 90 %.
Aube (1) selon la revendication 2, dans laquelle le biseau (27) présente une dimension (H) suivant un axe radial qui est comprise entre 2 mm et 12 mm, de préférence entre 5 mm et 11 mm.
Aube (1) selon l’une des revendication 1 à 3, dans laquelle le biseau (27) présente une longueur (L) comprise entre 1 % et 8 % d’une longueur curviligne totale de la pale (2), de préférence entre 1 % et 5 % de la longueur curviligne totale, qui peut être comprise entre 2 mm et 12 mm, de préférence entre 5 mm et 8 mm.
Compresseur centrifuge ou mixte (10) comprenant une pluralité d’aubes, au moins une aube étant conforme à l’une des revendications 1 à 4.
Compresseur selon la revendication 5, dans lequel la pluralité d’aubes comprend des aubes principales et des aubes intercalaires, tout ou partie des aubes principales et/ou des aubes intercalaires étant conformes à l’aube (1) selon l’une des revendications 1 à 4.
Turbomachine comprenant un compresseur centrifuge ou mixte (10) selon l’une des revendications 5 ou 6.
Aéronef comprenant une turbomachine selon la revendication 7.
Procédé de fabrication d’une aube (1) d’un compresseur centrifuge ou mixte (10) selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant les étapes suivantes :
S1 : réalisation de la pale (2) ; et
S2 : réalisation du biseau (27).
Procédé selon la revendication 9, dans laquelle les étapes S1 et S2 sont simultanées, le biseau (27) étant obtenu directement lors de la réalisation de la pale (2).
Procédé selon la revendication 9, dans laquelle l’étape S2 est réalisée par découpe de la pale (2) obtenue à l’étape S1.