FR3127517A1 - Surface de cavité de veine secondaire entre une roue fixe et une roue mobile d’une turbomachine améliorée - Google Patents

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Abstract

Surface de cavité de veine secondaire entre une roue fixe et une roue mobile d’une turbomachine améliorée Un aspect de l’invention concerne un ensemble (E) d’une turbomachine comprenant: un stator comprenant au moins une pale fixe, une plate-forme interne (31) comprenant une partie centrale (310) s’étendant radialement de la pale aérodynamique fixe et deux déflecteurs fixes (311) s’étendant axialement de part et d’autre de la partie centrale (310),un rotor comprenant au moins un tambour (4) de révolution autour de l’axe X et un pied d’aube mobile, une cavité (5) d’un système secondaire délimitée axialement entre le tambour (4) et la plateforme interne (31), et radialement entre les pieds de chaque aube mobile (201, 202), caractérisée en ce que au moins une des surfaces délimitant la cavité (5) est une surface rugueuse de stabilisation ayant une rugosité Ra supérieure à une surface des pales fixes (30) ou mobiles. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1

Description

Surface de cavité de veine secondaire entre une roue fixe et une roue mobile d’une turbomachine améliorée
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
Le domaine technique de l’invention est celui des compresseurs et turbines de turbomachines comprenant des roues mobiles et fixes successives et des cavités formées entre chaque extrémité de la roue du stator et les deux roues mobiles successives.
La présente invention concerne l’optimisation aérodynamique d’un étage axial d’une turbomachine et en particulier la réduction de l’impact de l’écoulement d’air dans des cavités sur les performances de la veine principale en compresseurs et turbines.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Les compresseurs et turbines de turbomachines comprenant des roues mobiles et des roues fixes successives de façon alternée axialement et des cavités sont formées entre chaque extrémité de la roue du stator et les deux roues mobiles successives qui l’entourent.
Les roues mobiles et fixes comprennent généralement des pales formant une veine principale du flux d’air primaire de la turbomachine permettant d’assurer les phases de compression et détente du cycle thermodynamique. La phase compression est lors du cycle moteur qui fournit de l’énergie à l’écoulement d’air (compression) et la phase détente permet au cycle moteur de récupérer de l’énergie (détente).
Une partie du flux s’écoule dans les différentes cavités formant une partie du système d’air secondaire, appelée aussi veine secondaire. Il est connu qu’une partie des pertes d’énergie (et donc de performances du moteur) de la turbomachine est due à l’écoulement de l’air dans ces cavités ainsi que l’interaction entre la veine secondaire et la veine primaire. En effet, comme chaque cavité est ouverte sur la veine principale, entre le rotor et le stator, la veine secondaire interagit avec l’écoulement de l’air de la veine principale, et donc l’impacte et produit des pertes de performances de la turbomachine. En effet l’écoulement de l’air dans la cavité modifie le débit d’air, modifie l’angle d’écoulement de l’air au bord d’attaque des rotors et stators et produit des tourbillons internes parfois instables et donc sources de pertes additionnelles.
Il existe des solutions d’optimisation géométrique des parois du rotor et stators formant la cavité pour diminuer l’impact de l’écoulement d’air dans les cavités sur l’écoulement principal, afin de contrôler et diminuer les pertes à l’intérieur de l’écoulement des cavités mais aussi les pertes à l’interaction avec l’écoulement principal (contrôle des débits entrants/sortants, diminution des pertes de mélanges, diminution des altérations d’angle d’attaque sur les aubes en aval).
Il existe donc un besoin de minimiser l’impact des veines secondaires pour optimiser l’écoulement d’air de la veine principale et ainsi améliorer les performances motrices en réduisant les pertes liées notamment à des instabilités dans les cavités qui est sources de phénomènes instationnaires.
L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant de stabiliser l’écoulement dans les cavités pour diminuer les pertes de performances liées aux écoulements secondaires.
Un aspect de l’invention concerne un ensemble d’une turbomachine comprenant:
  • un stator comprenant :
    • une plateforme externe s’étendant axialement autour d’un axe de rotation,
    • au moins une roue fixe s’étendant radialement de la plate-forme externe vers l’axe de rotation, la roue fixe comprenant :
    • au moins une pale fixe aérodynamique s’étendant radialement de la plateforme externe vers l’axe de rotation et
    • une plate-forme interne comprenant une partie centrale s’étendant radialement de la pale aérodynamique fixe vers l’axe de rotation et deux déflecteurs fixes s’étendant axialement de part et d’autre de la partie centrale,
  • un rotor comprenant au moins :
    • un tambour de révolution autour de l’axe X,
    • deux aubes mobiles espacées axialement par le tambour, comprenant :
  • une pale aérodynamique, la pale fixe étant interposée entre les deux pales mobile formant ensemble une veine principale du flux d’air primaire,
  • un pied comprenant :
  1. une base couplée en rotation au tambour au tambour et
  2. une plateforme externe, comprenant un déflecteur mobile s’étendant axialement vers le déflecteur fixe correspondant, et radialement de la pale mobile vers la base ,
    • une cavité d’un système secondaire délimitée axialement entre le tambour et la plateforme interne, et radialement entre les pieds de chaque aube mobile, caractérisée en ce que au moins une des surfaces délimitant la cavité est une surface rugueuse de stabilisation ayant une rugosité Ra supérieure à une surface des pales fixes ou mobiles.
Grâce à l’invention, de manière inattendue, les cavités ont un écoulement plus stable en réduisant les pertes liées aux tourbillons internes à la cavité, permettant ainsi de supprimer les instabilités ou diminuer l’amplitude des variations instationnaires. En effet, le fait d’augmenter la rugosité va généralement à l’encontre de la réduction des pertes d’écoulement puisqu’elle entraîne des pertes de frottement fluide/surface du rotor ou stator et donc on cherche généralement à diminuer la rugosité des surfaces pour réduire ces pertes de frottement. Cependant, il a été remarqué, qu’en augmentant la rugosité sur des portions ou sur les surfaces formant la cavité, l’augmentation des pertes de frottement est compensée par des effets d’écoulement en augmentant l’épaisseur d’une zone proche de la surface (appelée couche limite), qui va améliorer la stabilité de l’écoulement.
En outre, une telle modification peut être réalisée sur des surfaces de cavité d’ensemble rotor-stator déjà fabriquée ou en cours de fabrication, puisqu’elle ne nécessite pas un changement de géométrie du rotor ou stator mais uniquement un traitement de rugosité ou même une absence de traitement d’une ou des surfaces de cavité subissant un traitement de réduction de rugosité.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, l’ensemble rotor stator d’une turbomachine selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
Selon un mode de réalisation, la rugosité Ra de la surface rugueuse de stabilisation délimitant la cavité est deux à quinze fois plus important que celle de la surface des pales fixes ou mobiles.
Selon un mode de réalisation, la surface rugueuse de stabilisation a une rugosité supérieure aux surfaces des pales fixes ou mobiles.
Selon un mode de réalisation, chaque déflecteur fixe comprend une surface externe s’étendant axialement du côté de la veine principale du flux d’air primaire et une surface interne délimitant la cavité, la surface interne délimitant la cavité étant une surface rugueuse de stabilisation ayant une rugosité supérieure à la surface externe du déflecteur fixe.
Selon un mode de réalisation, chaque déflecteur mobile comprend une surface externe s’étendant axialement du côté de la veine principale du flux d’air primaire et une surface interne délimitant la cavité, la surface interne délimitant la cavité étant une surface rugueuse de stabilisation ayant une rugosité supérieure à la surface externe du déflecteur mobile.
Selon un mode de réalisation, chaque surface délimitant la cavité est une surface rugueuse de stabilisation.
Selon un mode de réalisation, le rotor comprend au moins deux roues mobiles comprenant chacun les aubes mobiles, un disque comprenant des alvéoles s’étendant chacun axialement et répartie autour du disque, chaque alvéole recevant le pied d’une des aubes mobiles correspondant et la roue fixe comprend des pales fixes alignées les unes à côté des autres autour du tambour, entre les aubes mobiles des deux roues, la cavité s’étendant tout autour du tambour et d’un côté des disques entre les pieds des aubes mobiles.
Selon un mode de réalisation, la rugosité de la surface Ra rugueuse dans la cavité est 2 à 15 fois plus important que celle de la surface externe de la plateforme du rotor ou du stator.
Cela permet d’être dans un régime transitionnellement rugueux au niveau de la surface rugueuse, alors que le régime de la surface externe de la plateforme est dans un régime hydrauliquement lisse.
Un autre aspect de l’invention concerne un compresseur comprenant un étage haute pression et un étage basse pression, dans laquelle un des étages comprend un ensemble selon l’aspect de l’invention décrite précédemment avec ou sans les différentes caractéristiques des modes de réalisation décrits précédemment.
Un autre aspect de l’invention concerne une turbine Basse pression ou Haute pression comprenant un ensemble selon l’aspect de l’invention décrite précédemment avec ou sans les différentes caractéristiques des modes de réalisation décrits précédemment.
Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication de l’ensemble selon l’aspect de l’invention décrite précédemment avec ou sans les différentes caractéristiques des modes de réalisation décrits précédemment comprenant une étape de polissage des surfaces de l’ensemble sauf au moins une surface rugueuse de stabilisation.
Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication de l’ensemble selon l’aspect de l’invention décrite précédemment avec ou sans les différentes caractéristiques des modes de réalisation décrits précédemment comprenant une étape de sablage de la surface de rugosité.
Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication de l’ensemble selon l’aspect de l’invention décrite précédemment avec ou sans les différentes caractéristiques des modes de réalisation décrits précédemment comprenant une étape de modélisation de la géométrie de l’ensemble, caractérisé en ce qu’il comporte une étape d’optimisation de l’écoulement en augmentant la rugosité d’au moins la surface rugueuse de stabilisation. Cette étape de modélisation peut être réalisée avant l’une des deux étapes des deux procédés décrit précédemment.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
montre une représentation d’un schéma de principe d’une coupe axiale d’une partie d’un ensemble de deux roues mobiles et d’une roue fixe selon un premier mode de réalisation de l’invention et un écoulement d’air dans une cavité entre la roue fixe et les deux roues mobiles.
montre une représentation d’un schéma de principe d’une coupe axiale de la partie de l’ensemble de deux roues mobiles et d’une roue fixe selon un deuxième mode de réalisation de l’invention et un écoulement d’air dans une cavité entre la roue fixe et les deux roues mobiles.

Claims (12)

  1. Ensemble (E, E’) d’une turbomachine comprenant:
    • un stator comprenant :
      • une plateforme externe (1) s’étendant axialement autour d’un axe de rotation (x),
      • au moins une roue fixe (3, 3’) s’étendant radialement de la plate-forme externe (1) vers l’axe de rotation, la roue fixe (3, 3’) comprenant :
        1. au moins une pale fixe (30) aérodynamique s’étendant radialement de la plateforme externe (1) vers l’axe de rotation (x) et
        2. une plate-forme interne (31, 31’) comprenant une partie centrale (310, 310’) s’étendant radialement de la pale aérodynamique fixe (30) vers l’axe de rotation (X) et deux déflecteurs fixes (311, 311’) s’étendant axialement de part et d’autre de la partie centrale (310, 310’),
    • un rotor comprenant au moins :
      • un tambour (4) de révolution autour de l’axe X,
      • deux aubes mobiles (201, 202,20’1,20’2) espacées axialement par le tambour (4), comprenant :
    • une pale mobile (211, 212,) aérodynamique, la pale fixe (30) étant interposée entre les deux pales mobile (211, 212,) formant ensemble une veine principale du flux d’air primaire,
    • un pied comprenant :
      1. une base couplée en rotation au tambour (4) au tambour et
      2. une plateforme externe (221, 222,22’1,22’2), comprenant un déflecteur mobile (2251, 2252,225’1,225’2) s’étendant axialement vers le déflecteur fixe (311, 311’) correspondant, et radialement de la pale mobile (211, 212) vers la base ,
    • une cavité (5, 5’) d’un système secondaire délimitée axialement entre le tambour (4, 4’) et la plateforme interne (31, 31’), et radialement entre les pieds de chaque aube mobile (201, 202,201’,202’), caractérisée en ce que au moins une des surfaces délimitant la cavité (5, 5’) est une surface rugueuse de stabilisation ayant une rugosité Ra supérieure à une surface des pales fixes (30) ou mobiles (211, 212).
  2. Ensemble (E, E’) d’une turbomachine selon la revendication précédente, dans lequel la rugosité Ra de la surface rugueuse de stabilisation délimitant la cavité (5, 5’) est deux à quinze fois plus important que celle de la surface des pales fixes (30) ou mobiles (211, 212).
  3. Ensemble (E, E’) d’une turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface rugueuse de stabilisation a une rugosité supérieure aux surfaces des pales fixes (30) ou mobiles (211, 212, 211’, 212’).
  4. Ensemble (E, E’) d’une turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque déflecteur fixe (311, 311’) comprend une surface externe s’étendant axialement du côté de la veine principale du flux d’air primaire et une surface interne délimitant la cavité (5, 5’), la surface interne délimitant la cavité (5, 5’) étant une surface rugueuse de stabilisation ayant une rugosité supérieure à la surface externe du déflecteur fixe (311, 311’).
  5. Ensemble (E, E’) d’une turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque déflecteur mobile (2251, 2252,225’1,225’2) comprend une surface externe s’étendant axialement du côté de la veine principale du flux d’air primaire et une surface interne délimitant la cavité (5, 5’), la surface interne délimitant la cavité (5,5’) étant une surface rugueuse de stabilisation ayant une rugosité supérieure à la surface externe du déflecteur mobile (2251, 2252,2251’,2252’).
  6. Ensemble (E) d’une turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque surface délimitant la cavité (5) est une surface rugueuse de stabilisation.
  7. Ensemble (E, E’) d’une turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le rotor comprend au moins deux roues mobiles (21, 22,2’1 ,2’2) comprenant chacun les aubes mobiles (201, 202,201’,202’), un disque (251, 252) comprenant des alvéoles s’étendant chacun axialement et répartie autour du disque, chaque alvéole recevant le pied d’une des aubes mobiles (201, 202,201’,202’) correspondant et la roue fixe (3’) comprend des pales fixes (211, 212,211’,212’) alignées les unes à côté des autres autour du tambour, entre les aubes mobiles (201, 202,201’,202’) des deux roues, la cavité (5) s’étendant tout autour du tambour (4) et d’un côté des disques (251, 252) entre les pieds des aubes mobiles (201, 202,201’,202’).
  8. Compresseur comprenant un étage haute pression et un étage basse pression, dans laquelle un des étages comprend un ensemble (E, E’) selon l’une des revendications précédentes.
  9. Turbine Basse pression ou Haute pression comprenant un ensemble (E, E’) selon l’une des revendications 1 à 7.
  10. Procédé de fabrication d’un ensemble (E, E’) selon l’une des revendications 1 à 7 comprenant une étape de polissage des surfaces de l’ensemble sauf au moins une surface rugueuse de stabilisation.
  11. Procédé de fabrication d’un ensemble (E, E’) selon l’une des revendications 1 à 7 comprenant une étape de sablage de la surface de rugosité.
  12. Procédé de conception d’un ensemble (E, E’) selon l’une des revendications 1 à 7 comprenant une étape de modélisation de la géométrie de l’ensemble, caractérisé en ce qu’il comporte une étape d’optimisation de l’écoulement en augmentant la rugosité d’au moins la surface rugueuse de stabilisation
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