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PROCÉDÉ D'ADAPTATION DE DEBIT D'AIR DE TURBOMACHINE A
COMPRESSEUR CENTRIFUGE ET DIFFUSEUR DE MISE EN OEUVRE
[0001] L'invention concerne un procédé d'adaptation du débit d'air d'une
turbomachine comprenant un compresseur centrifuge, en particulier de moteurs
de turbomoteur d'hélicoptères ou d'unités de puissance auxiliaires (en abrégé
APU) à une demande variable de débit ou de puissance mécanique ou électrique.
L'invention se rapporte également à un diffuseur équipé de pales à calage
variable apte à mettre en oeuvre ce procédé.
[0002] Le domaine de l'invention est la compression des gaz dans les moteurs
de
turbomachines et, plus particulièrement, l'adaptation du flux d'air comprimé
pour
respecter les performances des moteurs, que ce soient des turbomoteurs ou des
APU, en particulier sa consommation spécifique (en abrégé Cs) à charge
partielle.
[0003] Dans ce contexte, un problème général est de répondre aux besoins de
marge au pompage et de pallier aux baisses de taux de compression aux régimes
intermédiaires des turbomoteurs, ainsi qu'aux variations de demande de débit
d'air comprimé et de puissance électrique dans le cas des APU.
[0004] Il est connu qu'une marge au pompage suffisante peut être obtenue en
abaissant la ligne de fonctionnement des turbomoteurs. Cependant, un
abaissement du taux de cycle moteur entraîne une dégradation du rendement et
cette solution nécessite alors de faire fonctionner le compresseur en-dessous
de
son rendement maximum, notamment à haut régime.
[0005] Il est également connu d'introduire, à l'entrée du compresseur, une
grille
de pré-rotation, formée d'ailettes de guidage d'entrée (en abrégé IGV,
initiales de
Inlet Guide Vanes en langue anglaise). Mais, dans ce cas, le taux de
compression est sensiblement abaissé pour un régime de rotation donné.
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[0006] Il convient dans ces conditions de chercher à faire fonctionner un
compresseur avec un taux de compression quasi constant tout en restant près de
son rendement maximum, quelle que soit la variation de la charge.
[0007] Dans le domaine des compresseurs mono-étages, il existe des diffuseurs
radiaux présentant des assemblages de pales à calage variable. De tels
diffuseurs sont décrits par exemple dans les documents de brevet US 5 207 559
ou EP 0 589 745, ce dernier déposé au nom de la demanderesse. Ces diffuseurs
permettent de décaler vers de plus faibles débits les caractéristiques des
taux
débit/pression du compresseur en régime intermédiaire, sans dégrader
significativement le taux de compression ni le rendement.
[0008]Le calage variable est réalisé par des commandes appropriées en liaison
avec une unité de commande en fonction des paramètres physiques en jeu
(régime de rotation, pressions, températures). Cependant les plages d'angles
de
calage que doit couvrir le système de commande nécessitent un vérin de
commande d'une puissance élevée, entraînent des variations importantes des
diamètres d'entrée et de sortie du diffuseur, ce qui peut générer des
sollicitations
mécaniques élevées entre parties tournantes (rouet) et statiques (diffuseur
radial
à calage variable) et diminue le rendement à charge partielle (régime
intermédiaire).
EXPOSE DE L'INVENTION
[0009] L'invention vise à pallier ces inconvénients, en particulier en
maintenant le
rendement du compresseur pour diminuer sensiblement la Cs tout en garantissant
une marge au pompage suffisante avec un meilleur rendement du cycle moteur à
charge partielle. Pour ce faire, elle propose un procédé optimisé de diffusion
variable du flux d'air dans un compresseur centrifuge de turbomachines.
[0010] Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de diffusion de
flux
d'air variable dans un compresseur centrifuge de moteurs de turbomachine,
consistant à prévoir une diffusion de l'air à travers une première grille
annulaire
de pales à calage variable bordé radialement d'une deuxième grille annulaire
de
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même nombre de pales à calage fixe d'extension équivalente, orientant la
diffusion dans la direction radiale par couplage des pales des deux aubages,
chaque pale du premier aubage étant entraînée en rotation à distance de la
pale.
Par turbomachines, il convient de comprendre les turbomoteurs, en particulier
les
turbomoteurs d'hélicoptères avec compresseur centrifuge mono-étage ou bi-
étages, et les APU équipées de compresseur centrifuge de puissance mono- ou
bi-étages.
[0011] Dans ces conditions, d'une part, l'extension radiale des pales à calage
variable est sensiblement diminuée par la présence de l'aubage fixe comprenant
de véritables pales, ce qui permet de limiter les efforts pour faire varier
leur
calage ainsi que les jeux entre l'aubage mobile et le flasque support et donc
les
recirculations amont/aval, ce qui a pour effet de diminuer les détériorations
de la
ligne de pompage et les pertes de charge. D'autre part, l'implantation
décentrée
de l'axe de rotation des pales à calage variable réduit sensiblement les
variations
d'extension radiale de ces pales à iso-diffusion : l'augmentation à la
fermeture est
moindre, favorisant ainsi le rendement, à charge partielle et la diminution à
l'ouverture moindre également, ce qui limite les sollicitations mécaniques du
fait
des fluctuations aérodynamiques instationnaires par interaction rouet /
diffuseur.
[0012] Une marge au pompage suffisante permet alors à la turbomachine de
fonctionner sans apparition de pompage - offrant une grande capacité
d'accélération -, et à l'APU de faire face à des variations de charge
importantes,
sans faire appel à une vanne de décharge, tout en maintenant la vitesse de
rotation de la turbomachine et son taux de pression à des niveaux proches de
leurs valeurs nominales et en fournissant un niveau de rendement suffisant.
[0013]Selon des modes particuliers, le procédé s'appliquant à des
turbomachines
équipées de turbine de puissance, la diffusion radiale à calage variable sur
compresseur centrifuge, telle que définie ci-dessus, est couplée à un
distributeur
de turbine de puissance à calage variable. La production de puissance peut
être
réalisée selon plusieurs configurations : turbine de puissance libre - ou
liée, de
type axiale ou centripète, avec ou sans échange thermique aval.
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[0014] Le couplage entre le diffuseur et le distributeur à calage variable
permet
d'adapter la ligne de fonctionnement à la diminution de débit, ce qui améliore
le
rendement du cycle moteur (par un meilleur taux de pression) et donc la Cs des
turbomoteurs d'hélicoptères et des APU.
[0015] L'invention a également pour objet un diffuseur de turbomachine à
calage
variable apte à mettre en oeuvre le procédé défini ci-dessus, ainsi que la
turbomachine équipée d'un tel diffuseur. Le diffuseur comporte une première
grille
annulaire de pales à calage variable radialement bordée par une deuxième
grille
annulaire de pales à calage fixe d'extension équivalente, formant des canaux
de
diffusion successifs par couplage des pales des deux grilles en extension
radiales. De plus, chaque pale de la première grille est entraînée par des
moyens
de commande aptes à exercer une rotation propre de chaque pale décentrée par
rapport à son axe de rotation.
[0016]Selon des modes de réalisation particuliers :
- chaque pale à calage variable s'étend entre deux coupelles en
regard et de manière parallèle et décentrée par rapport à l'axe commun des
coupelles coïncidant avec l'axe de rotation;
- chaque pale est couplée à une tige d'entraînement qui présente au
moins un orifice dans lequel est introduite une goupille de blocage d'une
rondelle
de réglage de la position axiale des coupelles ;
- la tige est solidarisé à un levier présentant une rotule sphérique
logée dans un logement cylindrique (38) d'une couronne de commande apte à
entraîner en rotation autour de l'axe moteur le levier apte à coulisser dans
le
logement cylindrique ,
- les logements cylindriques présente une profondeur qui est
fonction de la course des leviers, elle-même fonction de l'intervalle de
rotation
prédéterminé des pales ;
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- le bord d'attaque de chaque pale à calage variable se trouve à
proximité des périphéries des coupelles, la distance de la pale à l'axe de
rotation
étant supérieure ou égale à un demi-rayon ,
- le diffuseur en amont est un diffuseur lisse, c'est-à-dire non aubé ;
5 - la veine d'air d'entrée du diffuseur située entre le rouet et la grille à
calage variable est convergente, ce qui améliore les performances ;
- les pales fixes de la deuxième grille présentent un profil de bord
d'attaque plus épais que celles de la première grille afin d'absorber les
variations
d'incidence;
- les pales à calage fixe présentent une épaisseur suffisante pour
être traversées par des vis permettant le passage des efforts structuraux ;
- les pales fixes présentent une loi évolutive d'angle squelette entre
les bords d'attaque et de fuite, ce qui permet de contrôler la diffusion dans
la
grille fixe et d'optimiser son efficacité aérodynamique ;
- les pales fixes sont calées en azimut par rapport aux pales de la
première grille mobile de sorte à reprendre le sillage sur l'extrados des
pales de
cette première grille pour limiter les pertes de charge du diffuseur ;
- les angles de calage des pales variables sont compris entre +12 et
- 5 par rapport au calage nominal, qui serait celui d'un diffuseur fixe.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0017] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la
lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées qui
représentent, respectivement :
- la figure 1, une demi-vue en coupe axiale partielle d'un diffuseur
selon l'invention ,
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- les figures 2a et 2b, deux vues en perspective d'une pale à calage
variable couplée à sa tige de commande en rotation;
- la figure 3, une vue globale frontale du flasque annulaire amont du
diffuseur équipé des grilles de pales selon l'invention,
- les figures 4a à 4c, une vue schématique partielle dans le diffuseur
pour trois calages de pales mobiles, les deux calages extrêmes autour du
calage
nominal, et
- la figure 5, les jeux entre une pale mobile et les flasques annulaires
du diffuseur.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION
[0018] Les termes amont et aval se rapportent au sens d'écoulement du
flux d'air dans un turbomoteur.
[0019] En référence à la vue axiale en coupe partielle de la figure 1, le
compresseur centrifuge 10 d'une turbomachine, telle qu'un turbomoteur,
turboréacteur, turbopropulseur ou un APU, comporte un carter 12 couplé à un
couvercle 14 de recouvrement radial du rouet 16, dernier étage centrifuge du
compresseur, monté en rotation sur l'arbre moteur 18 selon l'axe Y'Y. Le flux
d'air
F circule du rouet 16 vers le diffuseur annulaire 19, dans une veine d'entrée
convergente par rétrécissement radial. Le diffuseur 19 est défini entre deux
flasques amont et aval 20 et 22. Le couvercle 14 est maintenu par une attache
23
fixée au carter et au flasque amont 20.
[0020] Les pales 24, formant une première grille annulaire, sont montées dans
le
diffuseur 19. Des centrages 25 et 26, formées en regard dans les flasques 20
et
22, accueillent les coupelles 17 et 27 sur lesquelles les pales 24 sont
montées de
manière décentrée. Les coupelles sont centrées dans les flasques 20 et 22 avec
des jeux adaptés, de 0,03 à 0,05 mm dans l'exemple illustré, sur une rondelle
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insérée dans le centrage 25 (voir ci-dessous en référence à la figure 5).
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[0021]Des pales 28 solidaires du flasque 22, formant une deuxième grille
annulaire bordant extérieurement la première grille, sont montées sur le
flasque
annulaire 20 par des vis traversantes 29 logées dans des trous 29t. Ces vis
permettent également le passage des efforts structuraux.
[0022] La commande des pales variables 24 est réalisée par l'intermédiaire de
tiges 30 prolongeant solidairement la coupelle amont 17. Ces tiges 30 d'axe
X'X
sont montées dans un alésage cylindrique 32 du flasque amont 20 et centrées
avec un jeu quasi-nul par des joints 30j montés dans des gorges 30g. En
extrémité, chaque tige 30 présente une partie plate 31 articulée sur un levier
d'entraînement 33 pincé par deux vis 35 sur cette partie plate 31. Les
positions
des extrémités 31 des tiges 30 sont ajustées avec des tolérances de jeux
adaptées. La tige 30 présente également un orifice 30t dans lequel est
introduite
une goupille 36 qui permet de bloquer une rondelle 30u - de réglage de la
position axiale des coupelles 17 et 27 - dans un anneau de blocage 12a formé
dans le carter 12. Dans ce but, la goupille 36 solidarise la tige 30 et
l'anneau de
blocage 12a.
[0023] En fonctionnement, le levier 33 est entraîné par une couronne de
commande 34 formant un trou cylindrique 38 de logement de la rotule sphérique
37 du levier 33 avec une tolérance de position axiale adaptée et un contact
sur
une génératrice de la rotule. Pour ce faire, la couronne de commande 34 est
centrée sur des secteurs présentant des roulements à aiguilles 39. La couronne
de commande 34, mise en rotation autour de l'axe moteur Y'Y par une biellette
(non représentée), entraîne en rotation les leviers 33 qui coulissent dans les
logements cylindriques 38 grâce à leur rotule 37. La profondeur des logements
38
est fonction de la course des leviers 33, elle-même fonction de l'intervalle
de
rotation des pales 24. Cette architecture est particulièrement adaptée à une
rotation des pales pouvant aller jusqu'à +12 avec une fermeture de 50% de
section, et jusqu'à -5 avec une ouverture de section de 20%. Les angles de
position des tiges et donc des pales 24 en fonction des régimes de puissance
pour fournir la compression d'air appropriée à ces régimes.
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[0024] En référence aux figures 2a et 2b, une pale mobile 24 est représentée
entre les coupelles parallèles 17, 27 et solidarisée par soudage 21 à celles-
ci, de
sorte que la pale s'étend parallèlement à l'axe X'X des coupelles en regard.
Le
bord d'attaque 24c de la pale 24 affleure les circonférences externes 17c et
27c
des coupelles, l'épaisseur de la pale 24 étant relativement fine, de 2 mm dans
l'exemple illustré. Par ailleurs, la distance entre la pale 24 et l'axe X'X de
la tige
30 est égale à environ 80% du rayon des coupelles dans l'exemple illustré.
Ceci
confère à la pale 24 un fort décentrage par rapport à l'axe X'X de la tige qui
coïncide avec l'axe de rotation de l'ensemble. La tige 30 présente également
les
gorges cylindriques 30g de centrage et l'orifice 30t de blocage de la rondelle
de
réglage de la position axiale des coupelles 17 et 27. Sa partie plate 31 est
traversée par des trous 30a de réception des vis 35 de montage au levier de
commande.
[0025] La vue globale de la figure 3 illustre le flasque annulaire amont 20
équipé
des grilles annulaires G1 et G2, montées respectivement mobile et fixe et
composées des pales 24 et 28.
[0026] Les pales 28 présentent un profil sensiblement plus épais en bord
d'attaque Ba que celui des pales 24, respectivement 0.5 et 2.5 mm, afin de
préserver une bonne tenue aux variations d'incidence lors de la rotation des
pales
mobiles 24. De plus, la loi d'angle squelette des pales 28 entre les bords
d'attaque BA et de fuite BF est évolutive, permettant d'optimiser l'efficacité
aérodynamique de la grille fixe par une récupération maximale de pression
statique.
[0027] En outre, les pales 28 de la grille fixe présentent une épaisseur
maximale,
de 7 mm dans l'exemple illustré, permettant de fixer le flasque 20 du
diffuseur par
des vis se logeant dans les trous 29t, tout en permettant le passage des
efforts
structuraux.
[0028] Le flux d'air F circule le long d'une pale fixe 28 en extension radiale
d'une
pale mobile 24 et entre deux pales adjacentes de même nature, mobile ou fixe.
Grâce au décentrage des pales mobiles 24 par rapport aux axes de rotation X'X
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de leurs coupelles 17, les variations des extensions radiales formées par ces
pales mobiles 24 sont limitées par rapport à des variations d'extensions que
devraient réaliser des pales centrées. Cette limitation permet d'améliorer les
performances d'un compresseur centrifuge : elle permet d'éloigner la ligne de
fonctionnement de la ligne de pompage, par décalage vers des débits plus bas,
et
d'élever cette ligne de fonctionnement près des maximas de rendement aux
régimes plus élevés.
[0029] Les extensions radiales des pales mobiles 24 au regard des pales fixes
28
sont illustrées par les schémas des figures 4a à 4c, sur lesquelles
apparaissent
également, en lignes pointillées, les coupelles 17, 27 des pales. En référence
à la
figure 4b, le calage nominal de 00 correspond à un écoulement du flux d'air F
de
référence pour lequel le réglage des pales mobiles 24 par rapport aux pales
fixes
28 est adapté aux régimes intermédiaires stables.
[0030]Aux faibles demandes de charge, le calage des pales mobiles 24 peut
monter jusqu'à +12 , ce calage correspondant à une section de passage à
l'entrée du col Sa, entre les pales 24 et 28, fermée de 50% par rapport au
calage
nominal correspondant à une section au col Sb. La figure 4a illustre le cas
d'une
fermeture de 25% associée à un calage de 6 , la section au col valant alors
75%
de la section Sb. Aux fortes demandes de charge, le réglage du calage peut
également descendre jusqu'à -5 . La figure 4c illustre le cas d'une ouverture
de
2,5 , la section au col Sc présentant alors une valeur relative de 110%.
[0031]les pales fixes 28 sont calées en azimut par rapport aux pales 24 de la
première grille mobile G1 de sorte à reprendre le sillage sur l'extrados Ex
des
pales de cette première grille G1.
[0032] Les extensions radiales des pales 24, limitées par la présence des
pales
fixes 28, permettent de conserver une maîtrise des jeux entre les coupelles 17
et
27 des pales 24 et les flasques 20 et 22, comme illustré par la figure 5.
Ainsi,
dans cet exemple, les valeurs des jeux restent inférieures ou égales
respectivement à 0,02 mm (pour J1 ou J2), à 0,10 mm (pour J3) et 0,25 mm (pour
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J4). Le jeu (ensemble J1 et J2) de la pale 24 sur la rondelle 9 reste donc
d'environ 0,03 mm ou légèrement supérieur.
[0033] L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Il
est par
exemple possible d'effectuer le calage des pales mobiles par réglage
uniquement
5 mécanique, individuel ou centralisé, ou par commande électrique,
électronique
avec ou sans régulation numérique.
