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CA 02726905 2010-11-23
WO 2009/153478 PCT/FR2009/050939
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Couvercle de compresseur de turbomoteur à butée axiale
La présente invention a trait au domaine des turbines à gaz,
notamment celles que l'on trouve dans les turbomachines, par exemple mais
pas uniquement les turbomoteurs d'hélicoptères ou les turboréacteurs pour
avions.
La présente invention concerne plus précisément l'étage de
compression de telles turbines à gaz qui constituent la motorisation
principale d'un engin volant.
Plus précisément encore, la présente invention concerne un
compresseur centrifuge d'un turbomoteur comprenant :
- un couvercle comportant une extrémité amont et une extrémité
aval,
- un carter présentant un bord amont et un bord aval,
- un rouet à pales monté rotatif dans ledit carter,
ledit couvercle étant destiné à couvrir les pales du rouet de façon à définir
une surface extérieure d'une veine de gaz s'étendant entre les bords amont
et aval du carter, tout en étant fixé au bord amont du carter par son
extrémité amont tandis que son extrémité aval demeure libre.
Classiquement, le compresseur est disposé entre une entrée d'air frais
et une chambre de combustion, le rôle du compresseur étant de comprimer
l'air frais entrant dans la turbine à gaz et d'amener cet air comprimé dans la
chambre de combustion pour y être mélangé avec du carburant.
Par ailleurs, il est connu que le rouet comporte une pluralité de pales
s'étendant globalement radialement depuis un moyeu du rouet, lequel est
fixé à un arbre rotatif de la turbine à gaz.
Ainsi le flux de gaz entre-t-il tout d'abord dans le carter du
compresseur par une entrée amont, puis s'écoule dans la veine de gaz
délimitée entre sa surface extérieure définie par le couvercle et sa surface
intérieure définie par une surface du moyeu du rouet tout en étant comprimé
et entraîné en rotation autour de l'axe du rouet, avant d'être évacué par une
sortie aval du compresseur, étant précisé que les termes amont et
aval sont pris en référence au sens de circulation du gaz dans la veine de
gaz du compresseur.
Généralement, le flux de gaz comprimé sortant du rouet pénètre
ensuite dans un diffuseur avant d'entrer dans la chambre de combustion.
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On comprend donc que le couvercle définit la surface extérieure de la
veine, la surface intérieure de celle-ci étant quant à elle formée par une
surface du moyeu du rouet d'où s'étendent les pales.
Dans un souci de maîtrise du comportement thermo-mécanique du
couvercle, son extrémité aval demeure généralement libre, c'est-à-dire
qu'elle peut ne pas être fixée au bord aval du carter.
Cette configuration permet en effet d'éviter une fixation hyperstatique
du couvercle qui serait potentiellement dommageable à la maîtrise des jeux
entre le rouet et le couvercle.
Cependant, cette solution n'est pas optimale : certains comportements
dégradés du compresseur, tel par exemple le pompage ou d'autres
phénomènes instables peuvent apparaître et conduire à des variations
brutales de pression dans le rouet du compresseur.
Dans la mesure où l'extrémité aval du couvercle est libre, on
comprend que ce dernier peut se déformer légèrement du fait des variations
de pression dans le compresseur, une telle déformation pouvant conduire le
couvercle à venir en contact avec les pales du rouet. En effet, lorsque la
pression dans le compresseur devient inférieure à celle existant à l'extérieur
du couvercle, ce dernier tend à se déformer et à venir en contact des pales
du rouet. Cette déformation peut également être due aux vibrations.
Bien évidemment, il est tout à fait néfaste tant pour le couvercle que
pour le rouet, que le couvercle vienne toucher les pales du rouet, un tel
contact pouvant en effet endommager sérieusement le compresseur.
Un tel phénomène peut également se rencontrer lors du
fonctionnement en conditions extrêmes de la turbine à gaz.
Une solution à ce problème est d'augmenter le jeu existant entre le
couvercle et les pales du rouet. Cependant, une telle solution présente
l'inconvénient de baisser le rendement du compresseur et, par voie de
conséquence, de diminuer les performances de la turbine à gaz.
Un but de l'invention est donc de proposer un couvercle permettant
d'éviter le contact avec les pales du rouet lors d'un fonctionnement dégradé
du compresseur.
L'invention atteint son but par le fait que le couvercle comporte en
outre une butée destinée à limiter le déplacement axial de l'extrémité aval du
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couvercle par rapport au bord aval du carter lors du fonctionnement du
compresseur.
De préférence, la butée est disposée à l'extrémité aval du couvercle.
Grâce à la butée conforme à l'invention, le déplacement axial de
l'extrémité aval du couvercle est limité.
L'extrémité aval du couvercle et le bord aval du carter sont arrangés
de telle sorte que lorsque l'extrémité aval du couvercle vient en butée contre
le bord aval du carter, il existe encore un jeu entre les pales du rouet et le
couvercle, en conséquence de quoi le contact est avantageusement évité.
De préférence, on monte le couvercle tout en laissant un jeu axial
calibré entre l'extrémité aval du couvercle et le bord aval du carter.
Avantageusement, la butée, de préférence annulaire, forme une
extension radiale s'étendant depuis l'extrémité aval du couvercle. Elle
s'étend
donc orthogonalement par rapport à un axe du rouet lorsque le couvercle est
monté. Selon une variante, la butée est constituée d'une pluralité de
languettes radiales.
La butée recouvre donc radialement une portion circonférentielle du
bord du carter.
De préférence, l'extrémité aval du couvercle comporte en outre une
extension axiale formant une nervure annulaire apte à venir presque
effleurer le bord aval du carter lorsque le couvercle est monté.
Un intérêt de cette extension axiale est de mieux guider l'écoulement
de l'air en aval du rouet.
On prévoit donc un faible jeu radial calibré entre l'extrémité aval du
couvercle et une extrémité intérieure du bord aval du carter de manière à
limiter les accidents de forme dans la veine d'air, néfastes pour le rendement
du compresseur.
La présente invention concerne enfin une turbine à gaz, notamment
d'hélicoptère, comportant un ou plusieurs compresseurs conformes à la
présente invention.
L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront mieux
à la lecture de la description qui suit, d'un mode de réalisation indiqué à
titre
d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur
lesquels
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- la figure 1A est une vue en coupe d'un turbomoteur d'hélicoptère
comportant un compresseur muni d'un couvercle de l'art
antérieur ;
- la figure 1B est une vue de détail du couvercle de la figure 1A; et
- la figure 2 représente l'extrémité aval d'un couvercle conforme à la
présente invention.
La figure 1A est une vue d'ensemble en coupe d'un turbomoteur
d'hélicoptère 10 connu par ailleurs.
Dans cet exemple, le turbomoteur 10 est constitué d'une turbine à
gaz qui comporte un compresseur 12, également appelé étage de
compression, une entrée d'air 14 pour l'admission d'air frais dans le
compresseur 12 ainsi qu'une chambre de combustion 16 dans laquelle a lieu
la combustion d'un mélange de carburant et d'air comprimé par le
compresseur 12.
Le turbomoteur 10 comporte en outre une turbine 18 fixée à un rouet
à pales 20 du compresseur 12 par l'entremise d'un arbre 22, laquelle
turbine 18, mise en mouvement par le flux de gaz brûlés sortant de la
chambre de combustion 16, entraîne en rotation le rouet 20.
Enfin, le turbomoteur 10 comprend en outre une turbine libre 24 qui
est entraînée en rotation par le flux de gaz sortant de la turbine 18, ladite
turbine libre permettant quant à elle d'entraîner en rotation les rotors de
l'hélicoptère (non représenté ici).
Le rouet à pales 20, du type rouet centrifuge, est bien connu par
ailleurs. Il comporte un moyeu 26 d'où s'étendent radialement une pluralité
de pales 28 pouvant présenter des formes courbes, dont les extrémités
radiales sont contenues dans une enveloppe géométrique qui présente la
forme d'un hyperboloïde de révolution. Le rouet 20 présente par ailleurs un
axe de rotation A et le terme "axial" sera considéré en référence à cet axe.
Par ailleurs, le compresseur 12 comporte un carter 30 qui forme de
préférence une partie constitutive du carter du turbomoteur 10.
Le carter 30 est la structure qui maintient les éléments du
compresseur ; à ce titre, le rouet 20 est monté rotatif dans le carter 30.
Ce carter 30 présente un bord amont 32 et un bord aval 34, étant
précisé que les termes amont et aval sont considérés en référence
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au sens d'écoulement du flux de gaz à l'intérieur du compresseur 20. Le sens
d'écoulement est illustré par les flèches F sur les différentes figures.
A l'aide de la figure 18, on comprend que le flux de gaz F entre
axialement dans le rouet à pales 20 par une entrée amont 33 et en sort
5 radialement par une sortie 35 proche du bord aval 34 du carter 30 avant de
pénétrer dans un diffuseur 36. Le bord aval 34 du carter 30 est constitué ici
par un bord amont du diffuseur 36.
On comprend que le flux de gaz circule entre les pales 28 du rouet 20
dans une veine de gaz 38 s'étendant entre le bord amont 32 et le bord aval
34 du carter 30.
On constate également que la veine 38 est délimitée entre une
surface 26a constituée par le moyeu 26, de laquelle s'étendent les pales 28
et un couvercle 40 définissant une surface extérieure de la veine 38.
Autrement dit, le couvercle 40 couvre les pales 28 du rouet 20 de
sorte qu'il s'étend entre le bord amont 32 du carter et le bord aval 34 du
carter 30 tout en épousant sensiblement la forme de l'enveloppe
géométrique mentionnée ci-dessus. Autrement dit, il existe un faible jeu
entre chacune des pales 28 et ce couvercle 40.
Plus précisément, le couvercle 40 comporte une extrémité amont 40a
et une extrémité aval 40b, l'extrémité amont 40a étant fixée au bord amont
32 du carter par l'intermédiaire d'un organe de fixation 42, tandis que
l'extrémité aval 40b est libre.
En d'autres termes, l'extrémité aval 40b du couvercle 40 n'est pas
fixée au bord aval 34 du carter 30.
En revanche, on constate que le bord aval 34 du carter 30 est dans la
continuité de l'extrémité aval 40b du couvercle 40.
Dans la mesure oU le couvercle 40 n'est fixé au carter que par le bord
amont 32, on comprend qu'il est susceptible de se déformer, essentiellement
au niveau de son extrémité aval libre 40b.
A l'aide de la figure 2, qui illustre un détail d'un turbomoteur selon
l'invention, on va maintenant décrire un couvercle 100 d'un compresseur
centrifuge 200 conforme à la présente invention, les autres pièces
constitutives du turbomoteur 10 étant identiques à celles décrites
précédemment et portant les mêmes références numériques.
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Comme on le voit sur la figure 2, par rapport à celle de l'art antérieur,
l'extrémité aval 104b du couvercle 100 selon l'invention, comporte en outre,
une butée 102 formant une extension radiale qui s'étend orthogonalement
par rapport à l'axe A du rouet 20.
Cette butée 102, qui est préférentiellement annulaire, est destinée à
limiter le déplacement axial de l'extrémité aval 100b du couvercle 100.
Pour ce faire, la butée 102 comporte une face de contact 103 apte à
venir en appui contre le bord aval 34 du carter 30 si l'extrémité aval 100b
du couvercle 100 fléchit vers les pales 28 du rouet, en sorte que le
couvercle 100 ne puisse se déformer davantage, grâce à quoi on évite
avantageusement tout contact entre le couvercle 100 et les pales 28 du
rouet 20.
En fonctionnement normal, on prévoit un jeu axial Ja entre la face de
contact 103 et le bord aval 34 du carter 30.
Comme on le voit sur la figure 2, l'extrémité aval 100b du couvercle
100 comporte également un renflement axial 104 s'étendant dans un sens
opposé à celui de la face de contact 103. Ce renflement axial présente une
forme annulaire et a pour rôle de renforcer la tenue mécanique de la butée
102 sur laquelle s'exercent des contraintes mécaniques lorsqu'elle vient en
contact avec le bord aval 34 du carter 30.
Par ailleurs, l'extrémité aval 100b comporte en outre une extension
axiale 106 présentant la forme d'une nervure annulaire, qui est destinée à
venir quasiment effleurer le bord aval 34 du carter 30. Plus précisément, on
prévoit un faible jeu radial Jr entre cette nervure annulaire 106 et le bord
aval 34 de manière à éviter que le flux de gaz ne soit perturbé dans
l'interstice existant entre l'extrémité aval 100b du couvercle 100 et le bord
aval 34 du carter 30.
De préférence, la nervure annulaire 106 est arrangée de telle sorte
qu'elle présente une hauteur radiale supérieure à celle du bord de fuite des
pales.
De préférence, la surface interne du couvercle 100, côté rouet, est
recouverte d'un matériau abradable, connu par ailleurs, afin d'éviter
d'endommager le couvercle et les pales lors d'éventuels contacts entre eux.
