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CA 02762308 2011-11-16
WO 2010/139901 PCT/FR2010/051078
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Rouet centrifuge de compresseur
L'invention concerne un rouet centrifuge de compresseur destiné à
être traversé par un fluide et, notamment, par un gaz. Ce rouet est
destiné, en particulier, à équiper un compresseur de turbomachine. Ce
rouet peut équiper tout type de turbomachine, terrestre ou aéronautique,
et notamment un turbomoteur d'hélicoptère.
Plus particulièrement, l'invention concerne un rouet centrifuge du
type présentant un axe de rotation, une partie avant de petite section et
une partie arrière de grande section, ce rouet comprenant des pales ayant
chacune un bord amont, ou bord d'attaque, et un bord aval, ou bord de
fuite. La rotation de ce rouet aspire le fluide par l'avant du rouet, la
vitesse axiale du fluide traversant le rouet se transformant
progressivement en vitesse radiale, le fluide sortant à la périphérie
extérieure du rouet, au niveau du bord de fuite des pales. Lesdites pales
sont telles que, dans un plan de coupe radial coupant le bord de fuite de
ces pales, elles sont courbées dans le sens inverse de la rotation du rouet.
Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport
au sens d'écoulement normal du fluide traversant le rouet.
Par ailleurs, l'axe de rotation du rouet est souvent appelé plus
simplement axe du rouet . La direction axiale correspond à la direction
de l'axe du rouet, et une direction radiale est une direction perpendiculaire
à cet axe et coupant cet axe. De même, un plan axial est un plan
contenant l'axe du rouet et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet
axe. Les adverbes axialement et radialement font respectivement
référence à la direction axiale et à une direction radiale.
Sauf précision contraire, les adjectifs intérieur et extérieur
sont utilisés en référence à une direction radiale, la partie intérieure (i.e.
radialement intérieure) d'un élément étant plus proche de l'axe du rouet
que la partie extérieure (i.e. radialement extérieure) du même élément.
Enfin, sauf précision contraire, les adjectifs avant et arrière
sont utilisés en référence à la direction axiale, le fluide entrant à l'avant
du
rouet.
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Un compresseur de turbomachine aéronautique (par exemple de
turbomoteur d'hélicoptère) de type centrifuge ou de type mixte axial-
centrifuge comprend un ou plusieurs étage de compression avec un rouet
centrifuge du type précité (également appelé rotor ou roue centrifuge), un
carter entourant extérieurement les pales de ce rouet, et un ou plusieurs
diffuseurs situés en aval de ce rouet. Un tel compresseur est traversé par
un fluide qui est un gaz, généralement de l'air.
Dans le rouet, la vitesse absolue du gaz augmente du fait de
l'accélération centrifuge et la pression du gaz augmente du fait de la
section divergente des canaux délimités entre les pales du rouet. Ainsi, le
gaz quitte l'extrémité avale des pales, ou bord de fuite, à très grande
vitesse.
Un exemple connu de rouet centrifuge de compresseur est divulgué
dans le brevet US n 3973872.
L'invention a pour but d'améliorer les performances (i.e. taux de
pression totale et rendement isentropique) d'un rouet du type précité, à
débit corrigé et à encombrement géométrique donné.
Ce but est atteint grâce à un rouet dans lequel, dans ledit plan de
coupe radial coupant le bord de fuite des pales du rouet, la partie de bord
de fuite de ces pales (i.e. la partie située au niveau de l'extrémité
extérieure de la partie arrière des pales) est redressée dans le sens de la
rotation du rouet de sorte qu'elle forme une ailette d'extrémité permettant
de dévier l'écoulement du fluide en redressant radialement cet
écoulement.
De manière générale, une telle déviation de l'écoulement du fluide
permet d'augmenter le taux de pression totale sans diminuer le rendement
isentropique du rouet.
De plus, en contrôlant au mieux cette déviation, il est possible
d'augmenter le taux de pression totale sans produire d'échauffement.
Ainsi, l'augmentation du taux de pression totale se traduit également par
une augmentation plus ou moins importante du rendement isentropique
du rouet.
Au final, grâce aux ailettes d'extrémité, les performances du rouet
sont améliorées.
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Un tel rouet centrifuge de compresseur peut comprendre deux
types de pales : des pales dites principales et des pales dites
intermédiaires . Les pales intermédiaires, optionnelles, sont intercalées
entre les pales principales et se différencient de ces dernières en ce
qu'elles sont plus courtes axialement : elles présentent une partie avant
plus courte, le bord d'attaque des pales intermédiaires se situant en retrait
(i.e. en arrière) par rapport au bord d'attaque des pales principales.
Selon un mode de réalisation, le rouet ne comprend que des pales
principales (i.e. pas de pales intermédiaires) et ces pales principales
présentent des ailettes d'extrémité du type précité.
Selon un autre mode de réalisation, le rouet comprend des pales
principales et des pales intermédiaires. Dans ce cas, soit les pales
principales sont les seules à présenter des ailettes d'extrémité du type
précité, soit les pales intermédiaires sont les seules à présenter des
ailettes d'extrémité du type précité, soit les pales principales et les pales
intermédiaires présentent des ailettes d'extrémité du type précité.
Selon un mode de réalisation, dans ledit plan de coupe radial
coupant le bord de fuite des pales du rouet, ladite ailette d'extrémité
forme avec la partie de la pale située juste en amont de cette ailette
d'extrémité un angle obtus supérieur ou égal à 155 et strictement
inférieur à 180 .
Selon un mode de réalisation, lorsque les pales principales du rouet
présentent une ailette d'extrémité, cette ailette d'extrémité s'étend à partir
du bord de fuite d'une pale principale du rouet sur une longueur qui,
mesurée le long du bord extérieur (curviligne) de cette pale principale,
représente moins de 15 % de la longueur totale de ce bord extérieur et,
en particulier, plus de 2% et moins de 10 % de la longueur totale de ce
bord extérieur.
Selon un mode de réalisation, lorsque les pales intermédiaires du
rouet présentent une ailette d'extrémité, ladite ailette d'extrémité s'étend
à partir du bord de fuite de la pale intermédiaire sur une longueur qui,
mesurée le long du bord extérieur de cette pale intermédiaire, représente
moins de 15% de la longueur totale de ce bord extérieur et, en particulier,
plus de 2% et moins de 10% de la longueur totale de ce bord extérieur.
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Les plages de valeurs d'angle et de longueur d'ailette précitées
permettent, seules ou combinées entre elles, d'améliorer encore les
performances du rouet.
L'invention concerne également un compresseur comprenant un
rouet centrifuge selon l'invention. Il peut s'agir d'un compresseur de type
centrifuge, c'est-â-dire un compresseur ayant au moins un étage de
compression équipé d'un rouet centrifuge, soit d'un compresseur de type
mixte axial-centrifuge, c'est-à-dire un compresseur ayant au moins un
étage de compression équipé d'un rouet axial et au moins un étage de
compression équipé d'un rouet centrifuge.
L'invention concerne également une turbomachine et, plus
particulièrement, un turbomoteur d'hélicoptère comprenant un
compresseur selon l'invention.
L'invention et ses avantages seront encore mieux compris à la
lecture de la description détaillée qui suit, d'un exemple de réalisation de
l'invention donné à titre illustratif et non limitatif. Cette description fait
référence aux figures annexées.
La figure 1 représente schématiquement et partiellement, en coupe
axiale, un turbomoteur d'hélicoptère avec un compresseur comprenant un
rouet centrifuge selon I invention (le rouet centrifuge et les turbines du
turbomoteur n'étant pas représentés en coupe mais en vue de côté).
La figure 2 représente schématiquement le rouet centrifuge de la
figure 1, isolé du reste du turbomoteur.
La figure 3 représente schématiquement et partiellement, en
perspective, la partie arrière de deux pales du rouet centrifuge de la figure
1.
La figure 4 représente schématiquement et partiellement la partie
arrière d'une des pales de la figure 3, vue en coupe dans un plan de
coupe radial coupant le bord de fuite de cette pale, ce plan de coupe IV-IV
étant repéré sur la figure 2.
L'exemple de turbomoteur 10 d'hélicoptère représenté sur la figure
1 comprend un compresseur 16 de type centrifuge à un seul étage de
compression. Ce compresseur 16 comprend un rouet centrifuge 18 selon
l'invention et un carter 15 entourant extérieurement les pales 24, 25 du
rouet 18. Un diffuseur 19 est situé en aval du rouet 18.
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Le turbomoteur 10 présente une entrée d'air 12, l'air passant par
cette entrée 12 pour atteindre le compresseur 16. La rotation du rouet 18
autour de son axe de rotation A, aspire l'air par l'avant du rouet et la
vitesse axiale du fluide qui traverse le rouet 18 se transforme
5 progressivement en vitesse radiale, le fluide sortant à la périphérie
extérieure du rouet 18. L'air pénètre dans le rouet 18 suivant une direction
plutôt parallèle à l'axe A de rotation du rouet, représentée sur la coupe de
la figure 1 par les flèches F1, et sort du rouet 18 suivant une direction
plutôt perpendiculaire à l'axe A, représentée par les flèches F2.
L'air sortant du rouet 18 traverse le diffuseur 19 avant d'atteindre la
chambre de combustion 20. Les gaz de combustion sortant de la chambre
entrainent une turbine haute pression 22 et une turbine basse pression
23.
Le rouet 18 est monté sur un arbre 21 qui est entraîné en rotation
15 par la turbine haute pression 22.
En référence à la figure 2, le rouet 18 présente une partie avant de
petite section et une partie arrière de grande section. Le rouet 18
comporte une pluralité de pales principales 24 s'étendant, axialement,
depuis la face avant 18A du rouet jusqu'à un flasque radial 17 situé à
20 l'arrière du rouet 18 et, radialement, depuis le moyeu du rouet jusqu'à la
périphérie extérieure du rouet. Chacune des pales principales 24 présente
un bord d'attaque 24A situé à l'extrémité avant du rouet 18 et un bord de
fuite 24F situé à la périphérie extérieure du rouet 18, juste en avant du
flasque radial 17.
Le rouet 18 comporte en outre des pales intermédiaires 25,
intercalées entre les pales principales 24 et qui se différencient de ces
dernières en ce qu'elles sont plus courtes axialement : le bord d'attaque
25A de ces pales 25 se situe en retrait (i.e. en arrière) par rapport au bord
d'attaque 24A des pales principales 24. En revanche, le bord de fuite 25F
des pales intermédiaires 25 se situe à la même distance radiale de l'axe A
que le bord de fuite 24F des pales 24.
La figure 3 représente en détail, en perspective, la partie arrière
d'une paie principale 24 et d'une pale intermédiaire 25 du rouet 18.
Dans un plan de coupe radial (i.e. perpendiculaire à l'axe A)
coupant le bord de fuite 24F, 25F des pales 24, 25, du rouet 18, comme le
plan IV-IV de la figure 2, les pales 24, 25, sont courbées dans le sens
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inverse de la rotation du rouet, le sens de rotation du rouet 18 étant
symbolisé par la flèche R sur les figures 3 et 4.
Dans ce même plan de coupe radial, la partie de bord de fuite
desdites pales 24, 25, est redressée dans le sens de la rotation du rouet
de sorte qu'elle forme une ailette d'extrémité 26, 27, permettant de dévier
l'écoulement de l'air en redressant radialement celui-ci.
Dans ce plan de coupe radial, l'ailette d'extrémité 26, 27, forme
avec la partie de la pale 24, 25, située juste en amont de cette ailette 26,
27, un angle obtus T supérieur ou égal à 155 et strictement inférieur à
180 . Cet angle T est repéré sur la figure 4 qui est une vue en coupe de la
paie principale 24 dans le plan de coupe radial IV-IV de la figure 2.
Dans l'exemple représenté, les pales principales 24 et les pales
intermédiaires 25 présentent des ailettes d'extrémité 26, 27. Dans d'autres
exemples de réalisation, non représentés, seules les pales principales 25
ou seules les pales intermédiaires 25 présentent de telles ailettes
d'extrémité.
Selon un exemple de réalisation, lorsque les ailettes d'extrémité 26
sont présentes sur les pales principales 24, la longueur (en abscisse
curviligne) de chaque ailette d'extrémité 26 mesurée le long du bord
extérieur curviligne 24E de ladite pale 24 ne représente pas plus de 15 %
de la longueur totale de ce bord extérieur 24E. Par exemple, la longueur
de l'ailette d'extrémité représente au moins 2% et pas plus de 10 % de la
longueur totale du bord extérieur 24E.
Selon un exemple de réalisation, lorsque les ailettes d'extrémité 27
sont présentes sur les pales intermédiaires 25, la longueur (en abscisse
curviligne) de chaque ailette d'extrémité 27 mesurée le long du bord
extérieur curviligne 25E de ladite pale 25 ne représente pas plus de 15%
de la longueur totale de ce bord extérieur 25E. En particulier, la longueur
de l'ailette d'extrémité représente au moins 2% et pas plus de 10% de la
longueur totale du bord extérieur 25E.
