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WO 2010/094873 PCT/FR2010/050205
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Témoin d'érosion pour roue de compresseur
La présente invention a trait au domaine des étages de compression
des turbomachines, tels par exemple, mais non exclusivement, les
turbomoteurs d'aéronefs et, notamment, au problème de l'usure des
éléments constitutifs de ces étages de compression.
La présente invention concerne plus précisément l'un de ces éléments
constitutifs, à savoir une roue de compresseur centrifuge qui comporte un
moyeu, un voile s'étendant radialement depuis le moyeu et portant une
pluralité de pales.
Dans la suite, les adjectifs axial et radial sont considérés par
rapport à l'axe de rotation de la roue de compresseur.
Une telle roue de compresseur centrifuge, bien connue par ailleurs,
participe avec un diffuseur radial à la compression de l'air qui entre
axialement dans l'étage de compression, avant d'en sortir radialement.
De manière connue, chacune des pales s'étend entre un bord
d'attaque et un bord de fuite et présente un intrados et un extrados.
Lors du fonctionnement de l'étage de compression, notamment mais
pas exclusivement lorsqu'il équipe un turbomoteur d'aéronef, telle une
turbine à gaz d'un hélicoptère, la roue de compresseur tend à s'éroder à
cause notamment de l'ingestion de particules, comme du sable dans l'étage
de compression.
Après plusieurs heures de fonctionnement, on constate généralement
la présence de profils d'érosion, notamment un recul du bord d'attaque, et la
formation d'un sillon en pied de pale du côté de l'intrados et s'étendant vers
le bord de fuite. En d'autres termes, la présence d'un sillon à cet endroit de
la roue résulte d'une érosion de cette dernière.
Le recul des bords d'attaque peut entraîner une dégradation des
performances et de la stabilité aérodynamique du compresseur, ainsi qu'une
dégradation de la tenue mécanique des pales. De plus, le sillon dégrade la
tenue mécanique du disque du rouet. L'érosion en bord d'attaque est
facilement détectable par des moyens classiques (caméra par l'entrée d'air
du moteur) et il peut arriver qu'elle soit plus faible que l'érosion de type
sillon. I1 est donc aussi nécessaire de contrôler aussi ce type d'érosion, et
si
hïen -p1fn !Pr-Ir l4p I nï le :jF t par trop érodé p-? '' sillon,
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Généralement le profil d'érosion est très fin et peu visible si bien qu'il
est difficile d'estimer rapidement si l'érosion apparue est tolérable ou non.
Un but de la présente invention est de proposer une roue de
compresseur centrifuge dont l'érosion de type sillon peut être contrôlée
rapidement et simplement.
L'invention atteint son but par le fait que le voile comporte un témoin
d'érosion de la roue.
Le témoin d'érosion est choisi de telle sorte que lorsqu'il est
complètement érodé, le niveau d'érosion de la roue de compresseur est tel
qu'il est nécessaire de la remplacer.
On comprend aussi que ce témoin d'érosion est bien visible de sorte
qu'un mécanicien peut facilement et rapidement contrôler l'état d'usure de la
roue de compresseur.
Selon l'invention, le témoin d'érosion s'érode au fur et à mesure de la
formation du sillon dans le voile de la roue de compresseur. De préférence,
le témoin est arrangé de telle sorte que l'érosion entraîne une diminution de
l'épaisseur axiale du voile et, donc, du témoin d'érosion.
De manière préférentielle, le témoin d'érosion est situé sur un bord
périphérique extérieur du voile, grâce à quoi la formation du sillon est
aisément contrôlable, et, de plus, le témoin d'érosion ainsi positionné ne
perturbe pas l'écoulement de l'air dans la roue de compresseur.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le témoin
d'usure comprend au moins une nervure faisant radialement saillie depuis un
bord périphérique du voile, la nervure présentant une épaisseur axiale
inférieure à celle du voile de manière à former une marche entre un pan de
la nervure et une surface du voile d'où s'étendent les pales.
Autrement dit, la nervure présente une hauteur radiale légèrement
plus grande que celle de la pale associée, étant entendu que par hauteur
radiale, on entend la distance radiale considérée depuis l'axe de rotation de
la roue de compresseur.
En d'autres termes, cette nervure constitue une surépaisseur radiale
du bord périphérique du voile.
Lors de l'érosion de la roue, le sillon qui se forme en pied de pale tend
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étant précisé que par hauteur axiale on entend la distance entre le pan de la
nervure et la surface intérieure du voile portant la pale. Cette hauteur
axiale
correspond aussi à la différence entre l'épaisseur axiale du voile prise en
son
bord périphérique et l'épaisseur axiale de la nervure.
Puis, lorsque toute la marche a été érodée du fait de la formation du
sillon, ce dernier commence à se former sur le pan de la nervure.
Les inventeurs ont constaté que le début de l'érosion de la nervure est
particulièrement visible sur le pan de la nervure, de sorte qu'il est, de
manière avantageuse, aisé d`identifier la fin de l'érosion du témoin
d'érosion.
Ainsi, de manière particulièrement commode, le mécanicien saura qu'il
est nécessaire de remplacer la roue de compresseur dés lors qu'il aura
constaté une trace d'érosion dans la nervure.
Pour ce faire, la hauteur axiale de la marche est avantageusement
calibrée.
De préférence, la marche présente une hauteur axiale comprise entre
0,5 et 1,5 mm.
Par ailleurs, la hauteur radiale de la nervure est de préférence
comprise entre 0,5 et 3 mm.
Selon l'invention, le témoin d'usure peut être constitué d'une ou
plusieurs nervures. Cependant, on choisira de préférence une unique nervure
s'étendant le long de la circonférence du bord périphérique du voile.
Il faut ajouter que, jusqu'à présent, le contrôle de l'érosion de la roue
de compresseur nécessite le démontage complet de la roue de compresseur.
Un tel démontage, opéré généralement lors d'une révision ou d'une
réparation de la turbomachine, est le plus souvent long et couteux et, au
surplus, entraine l'immobilisation au sol de l'aéronef.
La présente invention concerne en outre un étage de compression
d'une turbomachine comportant une roue de compresseur selon l'invention,
ainsi qu'un carter muni d'une entrée pour permettre l'introduction d'une
caméra dans l'étage de compression de manière à contrôler l'usure du
témoin d'érosion.
Ainsi, grâce à l'invention, il n'est plus nécessaire de démonter la roue
de compresseur pour contrôler son érosion dans la mesure oû le mécanicien
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aisément l'érosion produite par les sillons formés au pied de chacune des
pales de la roue.
De préférence, la caméra est un endoscope.
La présente invention concerne aussi une turbomachine comportant
un étage de compression selon l'invention. De préférence, la turbomachine
est un turbomoteur d'hélicoptère ou de tout autre aéronef.
La présente invention concerne enfin un procédé de détermination de
l'érosion d'une roue de compresseur centrifuge d'une turbomachine selon
l'invention, procédé dans lequel on introduit un endoscope dans l'étage de
compression pour contrôler l'usure du témoin d'érosion de ladite roue.
Dans ce procédé, l'endoscope est introduit par une ouverture réalisée
dans le carter, de préférence un bossage, puis pénètre à travers le diffuseur
jusqu'à ce qu'il soit possible d'observer le bord périphérique du voile et
donc
le témoin d'érosion.
Ainsi, grâce à ce procédé, le suivi du niveau d'érosion peut se faire
directement en service et non plus à l'occasion d'une maintenance globale de
la turbomachine.
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 :
la figure 1 est une vue en perspective d'une roue de
compresseur selon l'invention comportant un témoin d'usure
constitué par une nervure s'étendant selon la circonférence
du bord périphérique du voile ;
la figure 2 est une vue partielle en coupe d'un étage de
compression représentant une extrémité aval de la roue de la
figure 1 ;
la figure 3 est une vue partielle détaillée de la figure 2
montrant le témoin d'érosion de la roue de la figure 1 et une
portion d'un carter de diffuseur de l'étage de compression ;
la figure 4 est une vue partielle du bord de fuite d'une pale
de la roue de la figure 1 lorsque ladite roue n'est pas érodée ;
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- la figure 5 est une vue partielle du bord de fuite d'une paie
de la roue de la figure 1 lorsque ladite roue est légèrement
érodée, le témoin d'érosion étant partiellement consommé ;
la figure 6 est une vue partielle du bord de fuite d'une paie de
5 la roue de la figure 1 lorsque ladite roue est sévèrement
érodée, le témoin d'érosion étant totalement consommé ; et
la figure 7 est une vue en coupe d'une turbine à gaz
d'hélicoptère comportant la roue de compresseur de la figure
1.
La figure 1 est une vue en perspective d'une roue de compresseur 10
que l'on trouve habituellement dans les turbines à gaz d'hélicoptère. Bien
entendu, la présente invention s'applique également à d'autres types de
turbomachine qui comportent une roue de compresseur.
De manière connue, la roue de compresseur 10 comporte un moyeu
12 destiné à coopérer avec un arbre d'entraînement (non représenté ici) afin
d'entrainer la roue 10 en rotation autour de son axe A. Dans la suite de la
description, les adjectifs radial et axial seront considérés en
référence à cet axe A. Cette roue de compresseur 10 est destinée à être
montée dans un carter en vis-à-vis d'un diffuseur 11 d'un étage de
compression 13 visible sur la figure 7.
La roue de compresseur 10 comporte également un voile 14, mieux
visible sur la figure 2, qui s'étend radialement depuis le moyeu 12.
Par ailleurs, la roue de compresseur 10 porte une pluralité de pales
16, chacune s'étendant entre un bord d'attaque 16a et un bord de fuite
16b. Il est aussi connu que ces pales 16 sont portées par le moyeu 12 et le
voile 14. Comme on le voit sur les figures 2 et 3, dans cet exemple, les
bords de fuites 16b des pales 16 affleurent un bord périphérique 22 du
voile 14.
Conformément à la présente invention, le voile 14 de la roue de
compresseur 10 comporte un témoin d'érosion 18 qui, en l'espèce, comporte
une nervure 20, de préférence mais non nécessairement unique, ladite
nervure 20 faisant radialement saillie depuis le bord périphérique 22 du voile
14, à l'endroit du bord de fuite 16b de chacune des pales 16.
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Comme on le voit sur ces figures, la nervure 20 présente une
épaisseur axiale EN inférieure à l'épaisseur axiale EV du voile de manière à
former une marche M entre un pan 20a de la nervure 20 et une surface S
du voile 14 d'où s'étendent les pales 16. En d'autres termes, cette marche
M constitue une marche descendante dans le sens F d'écoulement de l'air
dans la roue de compresseur 10. Ainsi, la nervure 20 est disposée à une
extrémité axiale du bord périphérique, qui est opposée à la surface S portant
les pales 16.
Par ailleurs, la nervure 20 présente une hauteur radiale HN comprise
de préférence entre 0,5 et 3 mm, de manière à laisser un jeu radial entre
l'extrémité de la nervure 20 et le diffuseur 11 de l'étage de compression 13.
Cette marche 20 présente une hauteur axiale HM comprise de
préférence entre 0,5 et 1,5 mm, dont l'intérêt sera explicité ci-après.
A l'aide des figures 4 à 6, on va maintenant expliquer comment le
témoin d'érosion fonctionne.
Ces figures montrent l'intrados de l'une des pales 16 à proximité de
son bord de fuite 16b.
Lorsque la roue n'est pas érodée, ce qui est le cas d'une roue neuve
par exemple, le voile 14 ne présente aucun profil d'érosion en pied de pale
comme cela est représenté sur la figure 4.
Après plusieurs centaines d'heures de fonctionnement, les particules
charriées par l'écoulement d'air provoquent une érosion qui se traduit par
l'apparition d'un sillon 30 en pied de pale du côté intrados I, comme cela est
représenté sur la figure 5.
La profondeur de ce sillon 30 augmente progressivement et tend à
consommer l'épaisseur axiale EV du voile 14.
Sur la figure 5, on constate que le sillon 30, en bord de fuite 16b,
présente une profondeur inférieure à la hauteur axiale HM de la marche M.
Autrement dit, dans cet état, la marche M n'est pas complètement érodée et
la nervure 20 n'a pas été attaquée.
De préférence, on considère que l'usure de la roue de compresseur 10
est encore acceptable tant que l'érosion n'a pas attaqué la nervure 20.
Dans un état plus avancé d'érosion, tel que celui représenté sur la
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En d'autres termes, la profondeur du sillon 30 est supérieure à la
hauteur axiale HM de la marche M. Dans cet état, le témoin d'érosion 18 est
totalement érodé ce qui implique que la roue de compresseur 10 doit être
changée.
Conformément à la présente invention, le contrôle de l'usure du
témoin d'érosion 18 se fait avantageusement à l'aide d'une caméra, de
préférence un endoscope 40, qui est introduite à travers une entrée 42 du
carter 15 de l'étage de compression 13, en l'espèce un bossage, comme
cela est schématisé sur la figure 7.
L'introduction de l'endoscope 40 est réalisée à travers un diffuseur
radial 44 que l'on trouve habituellement dans les étages de compression.
Comme on le comprend à l'aide de la figure 2, l'endoscope 40 permet
d'observer et de contrôler l'état d'usure du témoin d'érosion 18 sans
nécessiter le démontage complet de la roue 10.
En pratique, les inventeurs ont découvert que le début de l'érosion de
la nervure 20, traduisant l'usure totale du témoin d'érosion 18, est aisément
détectable à l'aide de l'endoscope. En effet la disparition de la marche M
associée à l'érosion de la nervure se voit facilement.
Pour résumé, lors du contrôle endoscopique du témoin d'érosion 18,
de deux choses l'une : soit la marche M est encore présente et la nervure 20
ne présente pas de trace d'érosion, de sorte que la roue de compresseur 10
peut être encore utilisée, soit la marche M a disparu et la nervure 20
présente une trace d'érosion, auquel cas la roue doit être changée.
