FR3135758A1 - Carter de rétention d’une soufflante présentant une partie sphérique tronquée - Google Patents

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Matthieu Pierre Michel DUBOSC
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Abstract

Ensemble comprenant : - une soufflante mobile en rotation autour d’un axe comprenant un disque et des aubes s’étendant radialement depuis le disque, chaque aube étant montée pivotante sur le disque autour d’un axe de calage et ayant une corde présentant une longueur ; et - un carter s’étendant autour de l’axe, le carter comprenant une première partie dont une face interne est sensiblement cylindrique de révolution et présentant un premier rayon, et une deuxième partie qui s’étend en face d’un sommet des aubes ; la deuxième partie s’étendant axialement de la première partie jusqu’à l’axe de calage et présentant un deuxième rayon supérieur au premier rayon, une distance le long de l’axe entre la première partie et une projection sur l’axe d’un bord d’attaque en tête d’une aube de la soufflante valant au plus 110% de la longueur de la corde. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Carter de rétention d’une soufflante présentant une partie sphérique tronquée DOMAINE DE L'INVENTION
La présente demande concerne de manière générale le domaine des turbomachines, et plus particulièrement les carter de soufflante.
 ETAT DE LA TECHNIQUE
Une turbomachine présente une direction principale s’étendant selon un axe longitudinal, et comporte typiquement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, une soufflante et un corps primaire comportant une section de compression pouvant comprendre un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, et une section de turbine pouvant comprendre une turbine haute pression et une turbine basse pression. Dans le cas d’une turbomachine carénée, la soufflante est logée dans un carter de rétention et comprend une nacelle définissant une enveloppe aérodynamique du moteur. Le flux d’air entrant dans la turbomachine se divise en un flux primaire configuré pour traverser le corps primaire et un flux secondaire qui contourne le corps primaire et traverse un conduit de dérivation délimité par le carter de soufflante.
La réduction des émissions polluantes liées au transport aérien passe notamment par l’amélioration des performances de la partie basse pression de la turbomachine à travers la diminution de la vitesse d’écoulement du flux d’air traversant la soufflante.
Afin de conserver le débit d’air entrant, et donc l’effort de poussée, une solution est d’augmenter le diamètre de la soufflante et la section du conduit de dérivation.
Toutefois, ce changement d’échelle entraîne un gain de masse compromettant les performances de la turbomachine. Les solutions actuellement envisagées comprennent :
- de modifier la nacelle afin de supprimer les éléments ayant pour rôle de guider l’écoulement en amont et en aval de la soufflante ainsi que ceux qui assurent la fonction reverse (marche arrière), et
- l’intégration d’un système de calage variable à la soufflante, afin de permettre le pivotement des aubes de soufflante, ce qui permet de conserver les avantages liés au guidage de l’écoulement ainsi que la fonction reverse préalablement possibles grâce à la nacelle et garantissant les performances de la turbomachine pour toutes ses conditions de vol.
Cependant, l’utilisation de calage variable rend difficile la gestion des marches ainsi que des jeux au niveau de la tête et du pied de la soufflante et des contraintes liées au montage/démontage des aubes. Les risques d’auto-engagement de la soufflante liés aux jeux en tête d’aube peuvent en outre provoquer l’endommagement de la soufflante et du carter de soufflante.
Un but de l’invention est de remédier aux problèmes de montage et de démontage des aubes de soufflante à calage variable ainsi qu’au phénomène d’auto-engagement lors du contact de la tête de ces aubes avec le carter de soufflante.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention un ensemble d’une turbomachine comprenant :
- une soufflante mobile en rotation autour d’un axe, la soufflante comprenant un disque de soufflante et une pluralité d’aubes s’étendant radialement depuis le disque, chaque aube étant montée pivotante sur le disque de soufflante autour d’un axe de calage respectif et ayant une corde présentant une longueur ; et
- un carter de soufflante s’étendant autour de l’axe, le carter de soufflante comprenant une première partie dont une face interne est sensiblement cylindrique de révolution et présentant un premier rayon, et une deuxième partie qui s’étend en face d’un sommet des aubes de la soufflante ;
la deuxième partie s’étendant axialement de la première partie jusqu’à l’axe de calage et présentant un deuxième rayon maximal supérieur au premier rayon, une distance le long de l’axe entre la première partie et une projection sur l’axe d’un bord d’attaque d’une aube de la soufflante en tête d’aube étant au plus égale à 110% de la longueur de la corde.
Un point d’arrêt entre la première partie et la deuxième partie est donc paramétré de façon à permettre le montage/démontage de l’aube de soufflante facilitant la maintenance des aubes à calage variable.
On peut prévoir que la longueur de la corde est mesurée au niveau d’un pied de l’aube.
On peut prévoir également qu’une face interne de la deuxième partie du carter de soufflante est incurvée de sorte à former une surface sphérique tronquée.
On peut prévoir également que la tête de chaque aube présente aussi un bord incurvé.
La géométrie de chaque tête de l’aube est donc adaptée à la forme du carter de soufflante étant également incurvée. Ainsi, les risques de contact entre l’aube et le carter sont réduits.
On peut prévoir que le premier rayon est supérieur à une somme d’une hauteur de l’aube et d’une distance mesurée suivant une direction radiale à l’axe entre l’axe et un fond d’une empreinte du disque configurée pour recevoir un pied d’aube.
On peut prévoir également que le premier rayon soit supérieur au rayon de la soufflante.
Ainsi, les opérations de maintenance des aubes est facilitée. En effet, l’aube peut être démontée puis peut glisser le long de la première partie du carter afin de pouvoir la retirer.
On peut prévoir que l’aube présente en outre une corde en tête, la distance le long de l’axe entre la première partie et la projection sur l’axe d’un bord d’attaque de l’aube de la soufflante en tête d’aube étant au plus égale à 30% d’une longueur de la corde, où la corde est mesurée en tête d’aube.
Ainsi, un second point d’arrêt entre la première partie et la seconde partie du carter est paramétré afin d’éviter les risques d’auto-engagement de la soufflante liés aux jeux en tête d’aube qui peuvent, en outre, provoquer l’endommagement de la soufflante et du carter de soufflante.
On peut prévoir que le premier rayon est égal à la racine carrée de la différence des carrés du second rayon maximal d’une face interne de la deuxième partie et de 30% de la longueur de la corde en tête.
Ainsi, il est possible d’exprimer la position radiale de ce point d’arrêt en fonction de données de référence de l’ensemble.
On peut prévoir qu’une turbomachine comprend un ensemble selon l’invention et un corps moteur configuré pour entrainer en rotation la soufflante autour de l’axe.
On peut prévoir également un aéronef comprenant la turbomachine fixée sur l’aéronef par l’intermédiaire d’un pylône.
 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 demie-coupe d’une turbomachine d’aéronef ;
La est une vue simplifiée d’un exemple de réalisation d’une aube de soufflante ;
La illustre une vue partielle d’une turbomachine conforme à un mode de réalisation de l’invention sur laquelle sont visibles une aube, un disque de soufflante et un carter de soufflante ;
La illustre un détail de la au niveau du disque de soufflante ;
La présente un mode de réalisation de l’invention du carter avec sa soufflante dont les paramètres nécessaires à la description de ce mode ; et
La présente un autre mode de réalisation de l’invention du carter avec sa soufflante dont les paramètres nécessaires à la description de ce mode.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Une turbomachine 1, illustrée en , présente une direction principale s’étendant selon un axe longitudinal X, et comporte typiquement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, une soufflante 2 et un corps primaire 3 comportant une section de compression pouvant comprendre un compresseur basse pression 4, un compresseur haute pression 5, une chambre de combustion 6, et une section de turbine pouvant comprendre une turbine haute pression 7 et une turbine basse pression 8. La soufflante est logée dans un carter de rétention 9 et comprend une nacelle 10 définissant une enveloppe aérodynamique de la turbomachine 1. Le flux d’air entrant dans la turbomachine 1 se divise en un flux primaire configuré pour traverser le corps primaire 3 et un flux secondaire qui contourne le corps primaire 3 et traverse un conduit de dérivation délimité radialement à l’extérieur par le carter de soufflante 9.
La turbomachine 1 peut par exemple être fixée sur un aéronef par l’intermédiaire d’un pylône.
Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz dans la soufflante 2. Ainsi, l’axe X de la soufflante 2 correspond à son axe de rotation. La direction axiale correspond à la direction de l'axe X et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe et passant par lui. Par ailleurs, la direction circonférentielle correspond à une direction perpendiculaire à l'axe X et ne passant pas par lui. Sauf précision contraire, interne (respectivement, intérieur) et externe (respectivement, extérieur), respectivement, sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie ou la face interne d'un élément est plus proche de l'axe X que la partie ou la face externe du même élément.
La soufflante 2 est mobile en rotation autour de l’axe X et comprend un disque de soufflante 20 et une pluralité d’aubes 22 s’étendant radialement depuis le disque 20, chaque aube 22 étant montée pivotante sur le disque de soufflante 20 autour d’un axe de calage respectif Y et ayant une corde présentant une longueur C.
La turbomachine comprend en outre un carter de soufflante 9 s’étendant autour de l’axe X, le carter de soufflante 9 comprenant une première partie 91 dont une face interne est sensiblement cylindrique de révolution et présente un premier rayon R2, et une deuxième partie 92 qui s’étend en face d’une tête 25 des aubes 22 de la soufflante 2.
De plus, la deuxième partie 92 s’étend axialement de la première partie 91 jusqu’à l’axe de calage Y et présente un deuxième rayon maximal R3supérieur au premier rayon R2, une distance L1le long de l’axe X entre la première partie 91 et une projection XBAsur l’axe X d’un bord d’attaque 27 en tête d’aube 25 d’une aube 22 de la soufflante 2 étant au plus égale à 110% de la longueur C de la corde.
Dans un mode de réalisation, X1est à 110% de la longueur de corde C.
De la sorte, le montage et le démontage des aubes 22 de soufflante 2 à calage variable est facilité. De plus, cette configuration permet de remédier aux phénomènes d’auto-engagement lors du contact de la tête 25 de ces aubes 22 avec le carter de soufflante 2.
Aube 2 2 de soufflante 2
Une aube 22 de soufflante comprend un pied 23 configuré pour être fixé sur le disque 20 de la soufflante 2 et une pale à profil aérodynamique 24 propre à s’étendre dans un flux d’air. L’aube 22 présente une tête d’aube 25 s’étendant face au carter de soufflante 9 à l’opposé du pied 23 ainsi qu’un bord d’attaque 27 et un bord de fuite 28. Le bord d’attaque 27, correspondant à la partie antérieure d'un profil aérodynamique 24 qui fait face au flux d'air dans un fonctionnement normal du moteur et qui divise l'écoulement d'air en un écoulement d'intrados et en un écoulement extrados, est configuré pour s’étendre en regard de l'écoulement des gaz entrant dans la soufflante 2. Le bord de fuite 28 quant à lui correspond à la partie postérieure du profil aérodynamique 24, où se rejoignent les écoulements intrados et extrados. La pale à profil aérodynamique 24 présente en outre une dimension h suivant l’axe de calage Y, entre une face radialement inférieure du pied 23 de l’aube et la tête d’aube 25.
On rappelle ici que la corde C correspond au segment de droite raccordant le bord d'attaque 27 et le bord de fuite 28. La longueur de la corde C peut donc varier le long de la pale à profil aérodynamique 24 en partant du pied 23 jusqu’à la tête 25.
Le cas échéant, le bord radialement externe 26 de la tête 25 de l’aube 22 de soufflante 2 présente une forme générale incurvée, par exemple sensiblement sphérique entre le bord d'attaque 27 et le bord de fuite 28.
Soufflante 2
Le pied de l’aube 22 est engagé axialement dans des empreintes 21 du disque de soufflante 20. Le fond de chaque empreinte 29 s’étend à une distance R1de l’axe X suivant l’axe de calage Y. La distance R1est donc mesurée suivant une direction radiale à l’axe X entre l’axe X et le fond de l’empreinte du disque 29 configurée pour recevoir le pied d’aube 23.
Les aubes 22 de la soufflante 2 sont à calage variable, c’est-à-dire qu’il est possible de faire pivoter les aubes 22 autour de l’axe Y afin de changer leur angle d’incidence. L’axe de calage Y s’étend radialement par rapport à l’axe X. Le cas échéant, l’axe de calage Y peut être légèrement incliné vers l'amont ou vers l'aval de la soufflante 2 ou encore tangentiellement, l’amont et l’aval étant définis dans le sens d’écoulement des gaz dans la turbomachine 1.
Le calage variable a pour avantage de permettre un fonctionnement en « reverse » de la soufflante 2 et d’adapter l’angle d’incidence des aubes 22 de soufflante en fonction des phases de vol de la turbomachine 1.
Une cale 30 est intercalée entre chaque pied d'aube 23 et le fond de l’empreinte 29 correspondant (voir par exemple ) à des fins de maintien et de prévention d'une usure prématurée du pied d’aube 23. Des exemples de montage/démontage d'aubes sur un disque de soufflante sont par exemple décrits dans le document FR3034130 au nom de la Demanderesse. La face radialement externe de la cale est configurée pour venir en contact avec le pied d'aube 23 tandis que sa face radialement interne est configurée pour venir en contact avec le fond de l’empreinte 29 correspondante. Chaque cale 30 présente une épaisseur d, qui correspond à sa dimension suivant l’axe de calage Y.
Carter de soufflante 9
Comme indiqué ci-avant, le carter de soufflante comprend une première partie 91 et une deuxième partie 92, la deuxième partie 92 s’étendant axialement de la première partie 91 jusqu’à l’axe de calage Y et présentant un deuxième rayon maximal R3supérieur au premier rayon R2, une distance L1le long de l’axe X entre la première partie 91 et une projection XBAsur l’axe X d’un bord d’attaque 27 en tête d’aube 25 d’une aube 22 de la soufflante 2 étant au plus égale à 110% de la longueur de la corde C. On notera ici que, les aubes 22 étant identiques et réparties de manière symétrique autour de l’axe, la distance L1peut être mesurée à partir de n’importe quelle aube 22 de la soufflante 2.
De préférence, la corde est prise ici en pied d’aube 23 et mesure une longueur C1. La face interne de la deuxième partie 92 comprend donc un renfoncement. Dans une forme de réalisation, le renfoncement est incurvé de sorte à former une surface sphérique tronquée. Cette configuration du carter de soufflante 9 permet de définir quand arrêter le renfoncement en amont de la soufflante 2 afin de permettre un montage/démontage de l’aube 22 et de faciliter la maintenance de la turbomachine 1 avec une soufflante 2 comprenant des aubes 22 à calage variable.
Par exemple, sur la , l’arrêt du renfoncement est repéré par le point D1dont la projection sur l’axe X est repérée par le point X1.
Dans une forme de réalisation, le premier rayon R2de la première partie 91 du carter de soufflante 2 est strictement supérieur à la somme de la hauteur h de l’aube 22 et du rayon R1. De préférence, le premier rayon R2est strictement supérieur à cette somme en tout point de la première partie 91 du carter de soufflante 9.
De plus, la différence entre le deuxième rayon R3et le premier rayon R2est supérieure à l’épaisseur d de la cale 30. De préférence, la corde C est mesurée en pied d’aube 23.
Arrêter le renfoncement en amont de la soufflante 2 permet également de se prémunir contre des phénomènes d’auto-engagement. Ce phénomène arrive lors d’un contact entre la tête de l’aube 25 et le carter de soufflante 9. Suivant la forme du carter et de l’aube, une fois le contact apparu, l’aube 22 se déforme en amplifiant le contact et en pénétrant de plus en plus dans le carter 9 jusqu’à ruiner des zones en contact des pièces.
Afin d’éviter ce phénomène, on peut également prévoir d’arrêter la forme incurvée 92 plus tôt en amont. En particulier, la distance L2le long de l’axe X entre la première partie 91 et la projection XBAsur l’axe X du bord d’attaque 27 en tête d’aube 25 d’une aube 22 de la soufflante 2 est au plus égale à 30% de la longueur de la corde (la corde étant prise ici en tête d’aube 25 et présentant une longueur C0). Ainsi, à partir de cette position, le renfoncement du carter de soufflante 9 s’arrête. Le rayon du carter de soufflante 9 est ensuite constant et supérieur ou égal au premier rayon R2. Dans l’exemple de la , il s’arrête pour rester à un rayon égal à R2.
Par exemple, sur la , l’arrêt de la forme incurvée est repéré par le point D2dont la projection sur l’axe X est repérée par le point X2.
Le premier rayon R2est une inconnue à déterminer en fonction du second rayon maximal R3pris comme référence au niveau d’une profondeur maximale du renfoncement du carter de soufflante 9, comme illustré à titre d’exemple en .
En l’espèce, le premier rayon R2est égal à la racine carrée de la différence des carrés d’un rayon R3d’une face interne de la deuxième partie 92 et de 30% de la longueur C0de la corde Co(prise en tête d’aube 25) :
(3)
La soufflante 2 peut comprendre entre 8 et 16 aubes.
Le cas échéant, la turbomachine 1 comprend en outre un mécanisme de réduction, par exemple un train épicycloïdal planétaire ou en étoile, interposé entre l’arbre de la turbine basse pression 8 et la soufflante 2 afin de découpler la vitesse de la turbine basse pression 8 de celle de la soufflante 2 et d’améliorer ainsi leur efficacité respective.
Le taux de compression de la soufflante 2 est de préférence compris entre 1,1 et 1,5, par exemple entre 1,1 et 1,25.
De plus, le rapport de moyeu de la soufflante 2, qui correspond au rapport entre le rayon interne et le rayon externe de la veine aérodynamique, où le rayon interne correspond à la distance entre l’axe X de la soufflante 2 et la surface de la plateforme qui délimite radialement à l’intérieur la veine d’écoulement, au niveau du bord d’attaque 27 de l’aube 22 de soufflante 2, et le rayon externe correspond à la distance entre l’axe X de la soufflante 2 et le carter de soufflante 9, au même niveau de l’aube 22 (soit au niveau du bord d’attaque 27 de l’aube 22, à l’intersection avec la plateforme) est compris entre 0,2 et 0,4 afin de garantir un bon rendement de la turbomachine 1.

Claims (10)

  1. Ensemble d’une turbomachine (1) comprenant :
    - une soufflante (2) mobile en rotation autour d’un axe (X), la soufflante (2) comprenant un disque de soufflante (20) et une pluralité d’aubes (22) s’étendant radialement depuis le disque (20), chaque aube (22) étant montée pivotante sur le disque (20) de soufflante (2) autour d’un axe de calage respectif (Y) et ayant une corde présentant une longueur (C) ; et
    - un carter de soufflante (9) s’étendant autour de l’axe (X), le carter de soufflante (9) comprenant une première partie (91) dont une face interne est sensiblement cylindrique de révolution et présentant un premier rayon (R2), et une deuxième partie (92) qui s’étend en face d’un sommet des aubes (22) de la soufflante (2) ;
    la deuxième partie (92) s’étendant axialement de la première partie (91) jusqu’à l’axe de calage (Y) et présentant un deuxième rayon maximal (R3) supérieur au premier rayon (R2), une distance (L1) le long de l’axe (X) entre la première partie (91) et une projection (XBA) sur l’axe (X) d’un bord d’attaque (27) en tête d’aube (25) d’une aube (22) de la soufflante (2) étant au plus égale à 110% de la longueur (C) de la corde.
  2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la longueur de la corde (C1) est mesurée au niveau d’un pied de l’aube (23).
  3. Ensemble selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel une face interne de la deuxième partie (92) du carter de soufflante (9) est incurvée de sorte à former une surface sphérique tronquée.
  4. Ensemble selon la revendication 3, dans laquelle la tête de chaque aube (25) présente un bord incurvé (26).
  5. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle le premier rayon (R2) est supérieur à une somme d’une hauteur (h) de l’aube (22) et d’une distance (R1) mesurée suivant une direction radiale à l’axe (X) entre l’axe (X) et un fond d’une empreinte du disque (29) configurée pour recevoir un pied d’aube (23).
  6. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le premier rayon (R2) est supérieur au rayon de la soufflante (2).
  7. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’aube (22) présente en outre une corde en tête (25), la distance (L2) le long de l’axe (X) entre la première partie (91) et la projection (XBA) sur l’axe (X) d’un bord d’attaque (27) en tête d’aube (25) de l’aube (22) de la soufflante (2) étant au plus égale à 30% d’une longueur (C0) de la corde, où la corde (C0) est mesurée en tête d’aube (25).
  8. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le premier rayon (R2) est égal à la racine carrée de la différence des carrés du second rayon maximal (R3) d’une face interne de la deuxième partie (92) et de 30% de la longueur de la corde en tête (C0).
  9. Turbomachine (1) comprenant un ensemble selon l’une des revendications 1 à 8 et un corps de moteur configuré pour entrainer en rotation la soufflante (2) autour de l’axe (X).
  10. Aéronef comprenant au moins une turbomachine (1) selon la revendication 9 fixée sur l’aéronef par l’intermédiaire d’un pylône.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2207246A1 (fr) * 1972-11-16 1974-06-14 Hawker Siddeley Dynamics Ltd
FR2611821A1 (fr) * 1987-03-03 1988-09-09 Rolls Royce Plc Carter de soufflante et agencement pour le montage et le demontage de pales de soufflante
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FR3080886A1 (fr) * 2018-05-02 2019-11-08 Safran Aircraft Engines Turbomachine a soufflante carenee

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