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CA 02772054 2012-02-23
WO 2011/023891 PCT/FR2010/051744
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Compresseur de turbomachine ayant des injecteurs d'air
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des
compresseurs de turbomachine. Elle concerne plus particulièrement un
compresseur haute-pression de turbomachine dans lequel est prévue une
recirculation d'air visant à limiter le phénomène de pompage.
Un compresseur de turbomachine comprend plusieurs étages
successifs de compression, chaque étage de compression se composant
d'une rangée (ou grille) d'aubes fixes suivie d'une rangée d'aubes mobiles.
Un carter annulaire entoure les rangées d'aubes et délimite à l'extérieur la
veine d'écoulement du flux d'air traversant le compresseur.
Un tel compresseur est sujet au pompage. Le pompage est un
phénomène que l'on cherche à minimiser au sein d'une turbomachine
puisqu'il se traduit par des oscillations brutales de la pression d'air et du
débit d'air, qui soumettent les aubes du compresseur à des contraintes
mécaniques considérables pouvant conduire à leur fragilisation, voire à
leur rupture. Ce phénomène intervient notamment en tête d'aube, au
niveau de la couche limite d'air présente entre la tête des aubes et le
carter du compresseur et se traduit localement par des poches de pression
plus faible.
L'une des solutions connues pour minimiser ce phénomène est
de prévoir une recirculation d'air au sein du compresseur. A cet effet, de
l'air est généralement prélevé dans la veine d'écoulement du compresseur
au droit (ou juste en aval) de la tête d'aubes mobiles d'un étage du
compresseur. Cet air prélevé transite alors dans un conduit avant d'être
réinjecté plus en amont dans la veine d'écoulement, par exemple en
amont et en direction de la tête d'aubes mobiles d'un autre étage du
compresseur. On pourra par exemple se référer aux documents US
2005/0226717 et US 5,474,417 qui décrivent des exemples de réalisation
d'une telle recirculation d'air.
La réinjection de l'air prélevé dans la veine d'écoulement se fait
généralement au moyen d'injecteurs d'air qui sont montés dans des
logements prévus à cet effet sur le carter entourant les aubes.
Typiquement, ces injecteurs d'air sont des pièces régulièrement espacées
angulairement les unes des autres et munies chacune d'un canal interne
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d'injection d'air débouchant, d'un côté dans la veine d'écoulement du
compresseur, et de l'autre côté vers un conduit d'alimentation en air relié
au circuit de recirculation d'air.
Le maintien en position de ces injecteurs d'air sur le carter du
compresseur pose des problèmes. En effet, les solutions connues
consistent soit à monter les injecteurs d'air dans leur logement par un
ajustement serré de type H7p6, soit à immobilier les injecteurs d'air dans
leur logement au moyen de vis. Or, le montage des injecteurs d'air par un
ajustement serré a pour principal inconvénient le démontage de ces
injecteurs qui est rendu impossible sans causer de dommages au carter.
Quant au maintien des injecteurs au moyen de vis, il pose des problèmes
d'application au regard de la taille et du nombre de vis nécessaires (une à
deux vis par injecteur d'air), sans compter l'encombrement dont il faudrait
pouvoir disposer pour insérer un moyen auto-freinant sur le carter.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels
inconvénients en proposant un compresseur dans lequel le maintien en
position des injecteurs d'air est fiable tout en conservant la possibilité de
pouvoir les démonter.
Ce but est atteint grâce à un compresseur de turbomachine,
comprenant :
un premier carter formant support d'injecteurs centré sur un axe
longitudinal du compresseur et délimitant à l'extérieur une veine
d'écoulement d'un flux gazeux traversant le compresseur ;
un second carter centré sur l'axe longitudinal du compresseur et
disposé autour du premier carter en ménageant avec celui-ci un espace
annulaire ; et
une pluralité d'injecteurs d'air montés chacun dans des
logements de forme correspondante formés à une extrémité longitudinale
amont du premier carter et régulièrement espacés les uns des autres,
chaque injecteur d'air ayant :
au moins un canal interne d'injection d'air débouchant
radialement, d'un côté dans la veine d'écoulement du flux gazeux
traversant le compresseur et de l'autre, dans l'espace annulaire formé
entre les carters, et
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à une extrémité longitudinale amont, un rebord amont ayant
une face intérieure venant en appui radial contre un rebord amont du
logement correspondant du premier carter et une face extérieure venant
en appui radial contre une face intérieure du second carter i
des moyens de pincement du rebord amont des injecteurs d'air
entre les carters afin de maintenir les injecteurs d'air en position dans les
logements du premier carter.
L'invention présente l'avantage de prévoir un maintien en
position de l'ensemble des injecteurs d'air dans leur logement respectif par
un simple pincement mécanique des injecteurs entre les deux carters. En
l'absence d'ajustements serrés dans l'assemblage, il est ainsi possible de
pouvoir remplacer les injecteurs d'air sans causer de dommages aux
carters. Il en résulte une maintenance simplifiée.
Avantageusement, le premier carter comprend des bossages
formés entre les logements et dont la face extérieure est, d'une part en
saillie par rapport à la face extérieure du premier carter, et d'autre part en
retrait par rapport à la face extérieure des rebords amont des injecteurs
d'air, les moyens de pincement comprenant au moins une vis de fixation
qui traverse radialement le second carter et qui est vissée sur l'un des
bossages du premier carter.
Chaque injecteur d'air peut comprendre en outre à une
extrémité longitudinale aval, un rebord aval ayant une face intérieure
venant en appui radial contre un rebord aval du logement correspondant
du premier carter. Dans ce cas, de façon avantageuse, chaque injecteur
d'air comprend également des rebords latéraux reliant le rebord amont au
rebord aval, ces rebords latéraux ayant chacun une face intérieure venant
en appui radial contre un rebord latéral du logement correspondant du
premier carter. La présence de ces rebords latéraux permet d'éviter toute
forme d'introduction parasite de l'air destiné à l'injection par une autre
voie que celle définie par les canaux internes d'injection d'air.
L'invention a également pour objet une turbomachine
comprenant un compresseur tel que défini précédemment, ce dernier
pouvant constituer un compresseur haute-pression de la turbomachine.
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Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout
caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 est une coupe longitudinale montrant de façon
schématique et dans son environnement un compresseur haute-pression
de turbomachine selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue partielle, en perspective et en éclaté du
compresseur selon l'invention ;
- les figures 3 et 4 sont des vues en coupe du compresseur
assemblé de la figure 2, respectivement selon III-III et IV-IV ; et
- la figure 5 est une vue partielle, en perspective et en éclaté
d'un compresseur selon un autre mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation
La figure 1 représente partiellement une turbomachine 10 d'axe
longitudinal 12. D'amont en aval (dans le sens d'écoulement des flux
gazeux la traversant), la turbomachine comprend une soufflante 14, un
compresseur basse-pression 16, un compresseur haute-pression 18, une
chambre de combustion 20 et une turbine (non représentée).
Chaque compresseur, et en particulier le compresseur haute-
pression 18, comporte plusieurs étages de compression, chaque étage
étant composé d'une rangée (ou grille) d'aubes fixes 22 suivie d'une
rangée d'aubes mobiles 24. Ces rangées d'aubes 22, 24 sont disposées
dans une veine 26 d'écoulement du flux d'air traversant le compresseur,
cette veine étant délimitée radialement à l'extérieur par une enveloppe
annulaire 28.
Afin de minimiser le phénomène de pompage au sein du
compresseur haute-pression 18, il est prévu de prélever dans la veine 26
une fraction de l'air traversant le compresseur pour le réinjecter plus en
amont dans la veine.
A cet effet, l'enveloppe 28 entourant les rangées d'aubes 22, 24
du compresseur comporte une ou plusieurs ouvertures 30 s'ouvrant dans
la veine 26 (par au droit ou juste en aval de la tête d'aubes mobiles d'un
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étage du compresseur) et débouchant dans un conduit annulaire de
diffusion 32 centré sur l'axe longitudinal 12 et entourant l'enveloppe.
Ce conduit de diffusion 32 est relié par l'intermédiaire d'un ou
plusieurs tubes 34 à un conduit annulaire de prélèvement 36 également
5 centré sur l'axe longitudinal 12. Le conduit de diffusion 32 débouche en
amont dans la veine 26, par exemple en direction de la tête d'aubes
mobiles d'un autre étage du compresseur, par l'intermédiaire d'une
pluralité d'injecteurs d'air 38 décrits ci-après en liaison avec les figures 2
à
5.
Comme représenté sur les figures 2 à 4, l'enveloppe 28
entourant les rangées d'aubes du compresseur se compose d'un premier
carter 28a formant support d'injecteurs et d'un second carter 28b disposé
autour du premier carter. Le premier carter 28a est sectorisé, c'est-à-dire
qu'il se compose d'une pluralité de segments annulaires de carter mis
bout-à-bout.
Ces deux carters 28a, 28b sont centrés sur l'axe longitudinal 12
de la turbomachine et sont espacés radialement l'un de l'autre pour
ménager entre eux un espace annulaire 40 qui débouche dans le conduit
de diffusion 32.
Au niveau de son extrémité amont (par rapport au sens
d'écoulement du flux gazeux traversant le compresseur), le premier carter
28a comporte une pluralité de logements 42 régulièrement espacés les
uns des autres, chaque logement 42 ayant un rebord amont 44 et un
rebord aval 46. Dans ces logements sont montés les injecteurs d'air 38.
Chaque injecteur d'air 38 comprend au moins un canal interne
d'injection d'air 48 qui débouche radialement, d'un côté dans la veine 26
d'écoulement du flux gazeux traversant le compresseur et de l'autre, dans
l'espace annulaire 40 formé entre les carters 28a, 28b. Ce canal d'injection
d'air est donc alimenté en air par le conduit de diffusion 32.
Par ailleurs, chaque injecteur d'air 38 comprend au niveau de
son extrémité longitudinale aval un rebord (ou becquet) aval 50 dont la
face intérieure 50a vient en appui contre le rebord aval 46 du logement
correspondant du premier carter.
Chaque injecteur d'air 38 comprend également à son extrémité
longitudinale amont un rebord (ou becquet) amont 52 ayant une face
intérieure 52a venant en appui radial contre le rebord amont 44 du
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logement correspondant du premier carter et une face extérieure 52b
venant en appui radial contre une face intérieure du second carter 28b.
Ces rebords 50, 52 permettent notamment de participer au
positionnement radial des injecteurs 38 sur le premier carter 28a et
constituent des obstacles au passage parasite de l'air par un trajet autre
que celui prévu par les canaux internes d'injection d'air 48.
Selon l'invention, les injecteurs d'air 38 sont maintenus en
position dans leurs logements 42 respectifs du premier carter 28a par des
moyens de pincement de leur rebord amont 52.
A cet effet, comme représenté sur la figure 2, le premier carter
28a comprend des bossages 54 qui sont formés à l'extrémité amont entre
les logements 42 des injecteurs d'air. Ces bossages présentent une face
extérieure qui est, d'une part en saillie radialement par rapport à la face
extérieure du premier carter, et d'autre part en retrait radialement par
rapport à la face extérieure 52b des rebords amont 52 des injecteurs d'air.
En d'autres termes, la face extérieure 52b des rebords amont 52
des injecteurs d'air est en saillie radialement par rapport aux bossages 54
du premier carter lorsque les injecteurs d'air sont montés dans leurs
logements (cette différence de niveau est schématisée par la cote h sur la
figure 3). Par ailleurs, au moins l'un de ces bossages présente un perçage
taraudé 56.
Comme représenté sur la figure 4, une vis de fixation 58 qui
traverse radialement le second carter 28b de part en part est vissée dans
ce perçage 56. Cette vis permet de fixer le second carter 28b sur le
premier carter 28a. Elle permet également aux carters 28a, 28b d'exercer
un effort de pincement radiai du rebord amont 52 de chaque injecteur
d'air 38 monté dans les logements 42 du premier carter. En effet, comme
le rebord amont 52 des injecteurs d'air 38 est en saillie radialement par
rapport aux bossages 54, on comprend aisément que le serrage de la vis
de fixation 58 va provoquer un effort de pincement de ces rebords amont
entre la face intérieure du second carter 28b et le rebord amont 44
respectif des logements du premier carter 28a. Ainsi, l'ensemble des
injecteurs d'air 38 du compresseur sont maintenus en position entre les
deux carters 28a, 28b.
On notera que le nombre de vis de fixation 58 peut varier. De
préférence, celles-ci sont régulièrement réparties sur toute la
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circonférence du compresseur. En outre, des vis de fixation
complémentaire 58' peuvent également être vissées au travers du second
carter 28b au niveau de l'extrémité aval de celui-ci (voir la figure 4).
En liaison avec la figure 5, on décrira maintenant un autre mode
de réalisation du compresseur selon l'invention.
Par rapport au mode de réalisation précédemment décrit, les
injecteurs d'air 38' du compresseur 10' partiellement représenté sur la
figure 5 ont la particularité de comporter des rebords (ou becquets)
latéraux 60 qui relient le rebord aval 50 au rebord amont 52 des
injecteurs. Ces rebords latéraux présentent chacun une face intérieure qui
vient en appui radial contre un rebord latéral 62 du logement 42'
correspondant du premier carter 28a.
La présence de ces rebords latéraux en plus des rebords amont
52 et aval 50 permet d'éviter toute forme d'introduction parasite de l'air
destiné à l'injection par une autre voie que celle définie par les canaux
internes d'injection d'air 48 des injecteurs d'air 38'.
