Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02801221 2012-11-29
WO 2011/157927 PCT/FR2011/051307
1
Compresseur et turbomachine à rendement optimisé
L'invention concerne les compresseurs à flux axial de turbomachine.
De tels compresseurs comportent habituellement un carter dans
lequel est montée à rotation relative une roue à aubes, la roue comportant
un ensemble d'aubes radiales comportant chacune une extrémité, un bord
d'attaque, et un bord de fuite.
En général les aubes sont agencées de telle manière que leurs
extrémités passent aussi près que possible de la paroi interne du carter.
Il est cependant nécessaire de ménager un jeu entre les extrémités
des aubes et la paroi interne du carter. Aussi, lorsque la roue tourne par
rapport au carter, de l'air (ou plus généralement, du fluide) s'écoule de
l'intrados vers l'extrados via ce jeu entre l'aube et le carter. Cet
écoulement est fortement turbulent. Il génère ainsi des tourbillons appelés
tourbillons de jeu, qui créent des pertes de rendement pour le
compresseur, et cela d'autant plus que les tourbillons de jeu interagissent
avec les couches limites qui existent sur la paroi du carter.
Pour réduire l'importance des tourbillons de jeu, il est connu
d'aménager une saignée sur la paroi interne du carter, sensiblement au
droit de l'extrémité de l'aube. Cette saignée ou tranchée ('trench' en
Anglais) est une rainure axisymétrique formée dans la paroi du carter.
Cette rainure est formée en creux par rapport à la surface aérodynamique
de référence qui est la forme qu'aurait la paroi interne du carter en
l'absence de saignée et qui correspond à la forme générale de la veine de
passage de gaz.
Le brevet GB10179 déposé le 30 avril 1912 donne un exemple de
compresseur comportant une telle saignée, Dans le compresseur divulgué
par ce brevet, la saignée est formée essentiellement par trois surfaces
sensiblement coniques, à savoir une surface amont, une surface médiane
et une surface aval, s'étendant les unes à la suite des autres de l'amont
vers l'aval. La surface médiane est sensiblement parallèle à la surface
aérodynamique de référence, La surface aval rejoint la surface
aérodynamique de référence juste en aval du bord de fuite des aubes.
L'intérêt d'une telle saignée est qu'elle permet, grâce à sa surface
médiane s'étendant parallèlement à la surface aérodynamique de
CA 02801221 2012-11-29
WO 2011/157927 PCT/FR2011/051307
2
référence, de ne générer qu'un tourbillon de jeu relativement limité. En
effet, le passage entre le carter et l'aube au niveau de la surface médiane
ne se fait pas à l'intérieur de la surface aérodynamique de référence, mais
est déporté au fond de la saignée, et donc radialement à une distance de
la veine de passage normal du gaz que délimite la surface aérodynamique
de référence. Du fait de ce déport, le passage de fluide de l'intrados vers
l'extrados via la surface médiane est relativement faible et ne contribue
que très peu aux tourbillons de jeu.
Cependant, aux limites amont et aval de la saignée, le passage de
fluide est fortement turbulent et contribue de manière importante aux
tourbillons de jeu.
Il s'ensuit que la saignée que comporte ce compresseur permet
d'améliorer le rendement du compresseur, mais seulement dans une faible
mesure, et d'autre part n'apporte aucune amélioration, voire apporte une
dégradation, en terme de marge au pompage.
D'autres exemples de compresseurs dont le carter présente un
aménagement spécifique sont divulgués par le document EP 2180195.
Aussi, l'objectif de l'invention est de proposer un compresseur à flux
axial de turbomachine, comprenant un carter, présentant une paroi
interne dont la forme générale définit une surface aérodynamique de
référence délimitant une veine de passage de gaz ;
une roue à aubes, montée à rotation relative par rapport au carter
dans ladite veine ;
la roue comportant une pluralité d'aubes radiales comportant
chacune une extrémité, un bord d'attaque, et un bord de fuite ; une
saignée circonférentielle étant formée dans la paroi interne du carter ;
la forme de ladite saignée étant définie essentiellement par trois
surfaces sensiblement coniques, à savoir une surface amont, une surface
médiane et une surface aval, s'étendant les unes à la suite des autres de
l'amont vers l'aval ;
la surface médiane étant sensiblement parallèle à ladite surface
aérodynamique de référence ; et
la surface aval s'étendant vers l'aval au moins jusqu'au bord de
fuite des aubes ;
CA 02801221 2012-11-29
WO 2011/157927 PCT/FR2011/051307
3
compresseur dans lequel les pertes de rendement dues aux
tourbillons de jeu soient plus faibles, mais la marge au pompage au moins
aussi importante, que dans les compresseurs connus antérieurement,
La surface aérodynamique de référence est une surface fictive, dont
la forme est celle que l'on peut imaginer que le carter aurait eu, si la
saignée n'avait pas été formée dans sa paroi.
L'objectif indiqué précédemment est atteint grâce au fait que dans
le compresseur, la surface amont s'étend en amont du bord d'attaque des
aubes, et la jonction entre les surfaces médiane et aval est située entre
30% et 80%, et de préférence entre 50 et 65%, de la longueur axiale des
aubes depuis le bord d'attaque.
L'invention consiste dans un aménagement conjoint du carter et de
la forme de l'extrémité des aubes, permettant que l'écoulement de jeu se
fasse non pas à l'intérieur de la surface aérodynamique de référence, mais
à l'intérieur d'une saignée aménagée dans la paroi du carter.
Cette saignée présente une forme innovante à triple pente. Cette
triple pente est formée par trois surfaces ayant chacune une fonction bien
spécifique :
La surface médiane est celle qui permet de maintenir un différentiel
de pression significatif entre les deux côtés, intrados et extrados, de
chacune des aubes. Comme la surface médiane limite la partie de plus
grande longueur de l'aube, elle est la surface qui est la mieux à même de
limiter le flux passant de l'intrados à l'extrados, du fait qu'elle est
déportée
à l'extérieur de surface aérodynamique de référence : Aussi, c'est au
niveau de la surface médiane que le trajet que doit parcourir le fluide pour
passer de l'intrados à l'extrados est le plus long, ou en d'autres termes,
que le détour radial imposé au flux est le plus grand. Pour cette raison,
plus la surface médiane est importante, plus faible est le flux de fluide
passant de l'intrados à l'extrados et ainsi, meilleur est le rendement de la
roue à aubes - en faisant abstraction des effets de bords -.
Suivant ce raisonnement, on pourrait souhaiter accroître au
maximum l'importance de la surface médiane. Cela a été fait dans de
nombreuses réalisations antérieures.
Cependant, ce choix n'est pas optimal car le gain de rendement
indiqué précédemment est réduit à cause des effets de bords, à savoir
CA 02801221 2012-11-29
WO 2011/157927 PCT/FR2011/051307
4
l'augmentation des tourbillons générée par les bords abrupts en amont et
en aval de la saignée.
Aussi dans l'invention, les surfaces amont et aval ont pour fonction
de et sont conformées de façon à minimiser la formation de tourbillons à
l'entrée et à la sortie de la saignée.
Pour cela, la surface amont est formée entièrement en amont du
bord d'attaque de l'aube. Cela permet à la surface médiane de s'étendre
au maximum vers l'amont, c'est-à-dire jusqu'au niveau du bord d'attaque
des aubes.
Cependant, il n'est pas possible de procéder de la même manière
pour la partie aval de la saignée ; il est en effet préférable pour réduire
l'importance des tourbillons générés au niveau du bord de fuite des aubes,
de limiter l'extension de la saignée vers l'aval. Aussi, l'invention définit
une
solution optimisée consistant à interrompre la surface médiane entre 30%
et 8O% par rapport à la corde des aubes, et à agencer la surface aval
avec une faible pente permettant le raccordement en douceur de la
surface médiane de la saignée à la surface principale (surface
aérodynamique de référence) du carter.
Grâce à ces dispositions, le compresseur selon l'invention présente
un meilleur rendement que le compresseur traditionnel. Comparé aux
compresseurs connus, le compresseur selon l'invention apporte de
meilleurs résultats en terme de rendement et de marge au pompage. En
particulier, la rupture de pente entre les surfaces médiane et aval formée
entre 30% et 80% de la longueur axiale des aubes permet une meilleure
interaction de l'écoulement de jeu avec l'écoulement principal. En effet, la
surface aval présente une faible pente, peu génératrice de tourbillons.
Avantageusement, grâce au fait que la surface amont soit déportée
en amont du bord d'attaque de l'aube, l'aménagement en faible pente de
la surface aval n'entraine pas une réduction trop grande de la taille de la
surface médiane. Grâce à l'invention, la surface médiane est conservée
avec une taille significative (30 à 80% de la longueur axiale de l'aube), ce
qui permet de conserver une grande efficacité quant au rendement du
compresseur.
En outre, avantageusement, les aménagements apportés à la
saignée et aux aubes selon l'invention n'apportent aucune difficulté
spécifique pour la fabrication du carter ou des aubes.
CA 02801221 2012-11-29
WO 2011/157927 PCT/FR2011/051307
L'expression 'la forme de ladite saignée étant définie
essentiellement par trois surfaces...' est liée au fait que de petites
surfaces
de raccordement ou de jonction, de type congés de raccordement, sont
généralement prévues pour relier deux à deux la surface amont à la
5 surface médiane et la surface médiane à la surface aval. De telles surfaces
de jonction sont également prévues, en général, entre la surface amont et
la surface aérodynamique de référence en amont de la saignée, et entre la
surface aval et la surface aérodynamique de référence en aval de la
saignée.
Dans un mode de réalisation, la surface amont s'étend en amont du
bord d'attaque des aubes sur 5 à 25%, et de préférence 7 à 20%, du pas
inter-aubes séparant suivant la direction circonférentielle les extrémités de
deux aubes consécutives.
Une extension relativement grande vers l'amont (plus de 5% du
pas inter-aubes) de la surface amont est préférable à une surface amont
droite, c'est-à-dire en forme de marche. En effet, si la surface amont est
ramassée et forme une marche d'escalier au voisinage du bord d'attaque
de l'aube, lorsque le fluide en mouvement rencontre cette marche, il se
forme un tourbillon, qui se propage et se mélange ensuite avec le
tourbillon de jeu : ce qui génère des pertes de rendement significatives.
Dans un mode de réalisation, la surface aval s'étend en aval du
bord de fuite des aubes sur 5 à 25%, et de préférence 7 à 20 l0, du pas
inter-aubes séparant suivant la direction circonférentielle les extrémités de
deux aubes consécutives.
En effet, une extension relativement grande vers l'aval (plus de 5%
du pas inter-aubes) de la surface aval est préférable à une surface aval
droite, c'est-à-dire en forme de marche. En effet, si la surface aval est
ramassée et forme une marche d'escalier au voisinage du bord de fuite de
l'aube, le fluide stagne dans le coin ainsi formé par la saignée et
s'échauffe au passage des aubes, ce qui crée des pertes dans la zone de
jeu qui s'ajoutent à celles engendrées par le tourbillon directement créé
par la marche.
Dans un mode de réalisation, dans une section longitudinale, la
surface aval forme un angle inférieur à 15 , et de préférence inférieur à
5 , avec la surface aérodynamique de référence.
CA 02801221 2012-11-29
WO 2011/157927 PCT/FR2011/051307
6
Dans un mode de réalisation, dans une section longitudinale, la
surface amont forme un angle inférieur à 90 , et de préférence inférieur à
30avec la surface aérodynamique de référence.
Dans les deux modes de réalisation précédents, le fait de former les
surfaces amont et/ou aval en pente douce, avec des angles relativement
faibles, permet de réduire au maximum la génération de turbulence et
donc la perte de rendement aux limites amont et aval de la saignée.
Dans un mode de réalisation, les aubes s'étendent à l'intérieur de
ou jusqu'à la surface aérodynamique de référence, sans dépasser à
l'intérieur de la saignée. Il est en effet souhaitable de limiter au maximum
la perturbation du flux se produisant lors de la traversée de la roue à
aubes ; aussi, il est souhaitable que le trajet du fluide reste contenu
autant que possible dans la surface aérodynamique de référence, entre les
aubes. Il ne semble donc pas souhaitable que les aubes s'étendent à
l'intérieur du carter, dépassant ainsi à l'extérieur de la surface
aérodynamique de référence. Cependant, un mode de réalisation avec des
aubes plus longues et pénétrant à l'intérieur de la saignée est toutefois
envisageable.
Dans un mode de réalisation, un jeu radial sensiblement constant
s'étend entre l'extrémité des aubes et la saignée. Ce jeu peut être égal au
jeu habituellement prévu entre les extrémités d'aubes et le carter dans le
cas de veines lisses, sans saignée.
Un second objectif de l'invention est de proposer une turbomachine
comprenant au moins un compresseur, turbomachine dans laquelle les
pertes de rendement dues aux tourbillons de jeu dans le compresseur
soient plus faibles, mais la marge au pompage au moins aussi importante,
que dans les machines comportant des compresseurs connus
antérieurement.
Cet objectif est atteint grâce au fait que le compresseur est un
compresseur tel que défini précédemment.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux
à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation
représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux
dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'une portion de compresseur ;
CA 02801221 2012-11-29
WO 2011/157927 PCT/FR2011/051307
7
- la figure 2 est une vue schématique en perspective illustrant le tourbillon
de jeu;
- la figure 3 est une coupe schématique axiale d'une portion de
compresseur, passant par une aube ;
- les figures 4 et 5 sont des diagrammes comparatifs, présentant les
champs de pression, respectivement dans un compresseur avec une
saignée de forme connue, et avec un compresseur selon l'invention.
La figure 1 représente un compresseur à flux axial de turbomachine
10. Celui-ci comprend un carter 12, dans lequel est montée une roue à
aubes 14. La roue à aubes 14 comprend elle-même un disque rotor 16,
sur lequel sont fixées de manière connue en soi des aubes radiales 18, de
manière axisymétrique. La roue à aubes est agencée de manière à pouvoir
tourner suivant un axe de rotation A à l'intérieur du carter 12.
Le carter 12 présente une paroi interne 20 dont la forme générale
définit une surface aérodynamique de référence 22 (fig.3) délimitant une
veine de passage de gaz. Cette surface aérodynamique de référence est
une surface de révolution, qui a une forme générale sensiblement
conique, et dans le cas présent cylindrique.
L'agencement des aubes 18 et de la paroi interne 20 du
compresseur 10 selon l'invention, afin de réduire les tourbillons de jeu, est
présenté en figure 3.
Chaque aube 18 comporte (fig.3) un bord d'attaque 26, un bord de
fuite 28, et une extrémité radialement extérieure 24 qui s'étend
axialement sur une distance L de l'amont à l'aval. Naturellement, un léger
jeu B est prévu (jeu qui dans certains cas, peut se voir modifié suite aux
frottements se produisant pendant les premières heures de
fonctionnement du moteur) entre l'extrémité 24 de l'aube 18 et la paroi
interne 20 du carter 12.
D'autre part (fig.2), les extrémités des aubes sont distantes deux à
deux d'une distance D, suivant la direction circonférentielle, dite pas inter-
aubes.
Pour réduire les tourbillons de jeu, une saignée circonférentielle 32
est formée dans la paroi interne 20 du carter 12. Cette saignée est formée
par trois surfaces sensiblement coniques, à savoir une surface amont 32A,
une surface médiane 32B et une surface aval 32C. Ces trois surfaces
CA 02801221 2012-11-29
WO 2011/157927 PCT/FR2011/051307
8
s'étendent les unes à la suite des autres de l'amont vers l'aval (de la
gauche vers la droite sur la figure 3).
Dans le cas le plus fréquent (comme celui qui est illustré), de
l'amont vers l'aval, la surface amont est de diamètre croissant, la surface
médiane de diamètre sensiblement constant, la surface aval de diamètre
décroissant.
L'extrémité 24 de l'aube 18 est aménagée de manière à maintenir
un jeu B sensiblement constant avec la saignée.
Pour cela, l'extrémité 24 de l'aube présente en amont, en regard de
la surface médiane 328, une partie amont 24B qui se confond localement
avec la surface aérodynamique de référence 22. Plus en aval, l'extrémité
24 de l'aube présente en regard de la surface aval 32C (plus précisément,
d'une portion amont de la surface aval), une partie aval 24C. Dans le
mode de réalisation présenté, la partie aval 24C est formée (comme la
partie amont 248) de manière à maintenir un jeu constant entre
l'extrémité 24 de l'aube et la saignée 32. Aussi, la partie 24C de l'aube est
rognée ou légèrement raccourcie radialement par rapport à la partie
amont 248.
La surface amont 32A s'étend en amont du bord d'attaque des
aubes, sur une distance DA qui vaut environ 100lo du pas inter-aubes.
L'angle al que forme la surface amont 32A, dans une section axiale, avec
la surface aérodynamique de référence 22, vaut environ 15 .
La surface médiane 328 est une surface sensiblement parallèle à la
surface aérodynamique de référence 22 (ou 'décalée' ('offset') par rapport
à celle-ci). En d'autres termes, et plus précisément, dans une section
axiale (ou méridienne) comme celle de la figure 2, la courbe de section de
la surface 24B est parallèle à la courbe de section de la surface
aérodynamique de référence 22.
La surface médiane 32B s'étend depuis le bord d'attaque de l'aube
18, jusqu'à un plan P situé à 50% de la distance L, par rapport au bord
d'attaque 26 de l'aube 18.
La surface aval 32C s'étend à l'aval de la surface médiane 32B au
moins jusqu'au niveau du bord de fuite 28, et de préférence au-delà,
jusqu'à une distance DC en aval du bord de fuite 28. Dans le cas
représenté en figure 3, la surface aval 32C s'étend jusqu'à une distance
DC valant environ 10% du pas inter-aubes D. Aussi, l'angle a2 que forme
CA 02801221 2012-11-29
WO 2011/157927 PCT/FR2011/051307
9
la surface aval 32C, dans une section axiale, avec la surface
aérodynamique de référence 22, vaut environ 1 .
L'apport de l'invention pour la réduction du phénomène de
tourbillon de jeu va maintenant être détaillé en relation avec les figures 4
et 5.
Lorsque la roue à aubes 14 est en rotation relative par rapport au
carter 12 autour de l'axe A, les extrémités 24 des aubes 18 se déplacent à
grande vitesse en regard de la paroi interne 20 du carter 12.
Sous l'effet de cette rotation, un différentiel de pression s'établit
entre l'intrados et l'extrados des aubes 18. Aussi, un léger flux de fluide
(d'air) passe par le jeu B entre l'extrémité des aubes et le fond de la
saignée. Ce flux génère un fort tourbillon dit tourbillon de jeu.
Les figures 4 et 5 présentent des résultats comparatifs issus de
simulations numériques en 3D réalisées à partir de la résolution des
équations de Navier-Stokes.
La figure 4 présente le résultat de simulations d'écoulement dans
un compresseur présentant une saignée de forme connue, et la figure 5,
le résultat dans un compresseur selon l'invention.
La direction générale A2 de l'axe A du compresseur est représentée
sur les figures 4 et 5. Le sens général de passage du fluide à travers le
compresseur est également indiqué par une flèche.
Le compresseur partiellement représenté sur la figure 4 comporte
une saignée 132 formée avec une surface amont 132A, une surface
médiane 132B et une surface 132C. Les surfaces amont 132A et aval 132C
forment de véritables marches d'escalier disposées en travers du flux de
fluide dans la veine.
Pour les autres références apparaissant sur les figures 4 et 5, les
mêmes références numériques sont utilisées dans les deux figures 4 et 5.
Sur chacune de ces figures sont représentées les extrémités de
trois aubes 18A, 1SB et 18C.
De plus, chacune des figures 4 et 5 présente un ensemble de
coupes parallèles partielles C1-C9. Chacune des coupes C1-C9 représente
schématiquement l'écoulement dans un plan. Les différents plans de
coupe sont parallèles et s'étendent suivant la direction A2 de l'axe de
CA 02801221 2012-11-29
WO 2011/157927 PCT/FR2011/051307
rotation de la roue à aubes 14 et sensiblement suivant la direction radiale
des aubes 18A-18C.
Dans chaque coupe C1-C9 sont représentées les lignes isobares
dans le flux de fluide. Ces lignes font donc apparaitre en particulier les
5 tourbillons se formant lors de l'écoulement,
La partie gauche des figures 4 et 5 illustre tout d'abord le premier
effet de l'invention, au voisinage du bord d'attaque (26A, 26B) des aubes
(18A, 18B). La figure 4 montre la présence d'un tourbillon 40 formé
immédiatement en aval de la surface amont. Avec l'invention (fig.5), ce
10 tourbillon 40 est quasiment supprimé.
on voit donc que la forme de la saignée 32 permet de réduire la
formation de tourbillons au niveau de la surface amont des saignées. En
effet, on voit que le tourbillon 40 formé sur l'amont dans le compresseur
traditionnel, ne se forme quasiment pas dans le compresseur selon
l'invention et ne vient pas grossir le tourbillon de jeu principal.
Ensuite, les figures montrent l'existence d'un tourbillon principal 42
formé à partir du bord d'attaque. Ce tourbillon semble peu affecté par les
modifications apportées sur la tranchée, en extrémité d'aube.
Enfin, les figures montrent un tourbillon 44 plus spécifiquement lié
à la forme de la tranchée sur la partie aval de l'aube. Là encore,
notamment dans les coupes C8,C9 ainsi que dans les coupes C3 et C4, on
peut constater avec l'invention une réduction de l'importance du tourbillon
44 au voisinage de l'aube.
Aussi, on constate que le tourbillon généré au voisinage de la
surface aval est moindre sur le compresseur selon l'invention que sur le
compresseur traditionnel.
En conclusion, ces figures montrent que la géométrie de
compresseur présentée, conforme à l'invention, apporte un gain en
rendement sur la ligne de fonctionnement et une amélioration de la marge
au pompage. Les pertes sur le rotor sont diminuées à partir de 75% de la
hauteur de l'aube.
