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DIFFUSEUR DE TURBINE A GAZ
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
[0001]L'invention se rapporte à un procédé de soufflage d'air dans un
diffuseur d'étage de compression d'une turbine à gaz, en particulier dans les
compresseurs de type centrifuge ou mixte. Par compresseur mixte, il convient
d'entendre un compresseur structuré en sortie du rouet de sorte que le flux
d'air
fasse un angle compris entre 0 et 900 par rapport à une direction radiale.
L'invention se rapporte également à un diffuseur de compresseur apte à mettre
en
oeuvre un tel procédé.
[0002]Le domaine de l'invention est celui du fonctionnement des
compresseurs et de l'amélioration de leur performance, en particulier de la
marge
au pompage. La performance est en particulier sensible à l'écoulement d'air
provenant du rouet du compresseur. Le diffuseur a pour fonction de redresser
cet
écoulement pour optimiser la transformation de la pression dynamique de l'air
en
pression statique.
[0003] De manière générale, un diffuseur se compose d'aubes inclinées
dans un espace formé entre deux flasques. La déviation réalisée par les aubes
peut provoquer des décollements d'air sur l'intrados ou l'extrados des aubes.
De
tels décollements peuvent conduire au décrochage des filets d'air et, si le
phénomène s'amplifie, au pompage.
[0004111 est donc nécessaire de maintenir une marge au pompage
suffisante afin d'éviter les conséquences très néfastes du pompage, pouvant
aller
jusqu'à la destruction d'éléments du compresseur.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
[0005]Jusqu'à présent, pour tenter de stabiliser l'écoulement d'air et
éviter le pompage, une partie de l'air pouvait être prélevée dans la veine en
amont
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des aubages du diffuseur en détournant une partie de l'air en sortie du rouet
et en
le réinjectant au niveau des flasques du diffuseur, par exemple selon le
procédé
décrit dans le brevet US 6699008. Mais ce système n'est pas optimal, car si la
réintroduction de l'air dans le diffuseur peut améliorer la stabilité du
compresseur,
détourner de l'air en sortie du rouet peut provoquer de nouveaux problèmes de
stabilité. De plus, réaliser une réintroduction sans générer de pertes
supplémentaires est difficile, du fait que l'air en sortie rouet est à un plus
faible
niveau de pression statique que celui du lieu de réinjection.
[0006111 est également connu de réaliser des cavités dans les extrados
des aubes pour l'utiliser comme fluide de refroidissement comme décrit dans le
document US 6 210 104. Le document de brevet FR 2937385, au nom de la
demanderesse, décrit une amélioration de cette solution par augmentation
progressive de la section transversale des cavités entre l'orifice
d'aspiration et
l'orifice de sortie. L'aspiration du fluide est alors homogénéisée sur les
aubages.
Cependant, il peut s'avérer nécessaire de rejeter à l'extérieur cet air
prélevé, ce
qui est préjudiciable au bilan global du cycle.
[0007]D'autres solutions prévoient une recirculation d'air provenant
d'orifices formés près des bords d'attaque des pales puis redirigé dans la
veine en
amont des bords d'attaque de manière axisymétrique. Le brevet EP 2169237 met
en oeuvre un tel agencement pour réduire les décollements avec une aspiration
d'air sur les aubages, comme les brevets US 6 210 104 et FR 2 937 385 déjà
cités. La réintroduction qui est faite en amont des aubages du diffuseur
influe
uniquement sur l'incidence au bord d'attaque du diffuseur.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
[0008]L'invention vise à lutter plus efficacement contre le décollement de
la couche d'air limite en stabilisant activement cette couche. Pour ce faire,
l'invention prévoit de ré-énergiser la couche limite avec de l'air à pression
plus
élevée par un couplage soufflage/aspiration.
[0009]Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de
soufflage d'air dans un diffuseur d'étage de compression d'un compresseur de
turbine à gaz. Un tel diffuseur comporte deux flasques enserrant une pluralité
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d'aubes circonférentielles. L'écoulement d'air le long des aubes s'effectue
d'un
bord d'attaque à un bord de fuite du diffuseur. Dans ce procédé, un couplage
d'une injection d'air dans la veine d'air en amont du diffuseur est réalisé
avec un
prélèvement d'air provenant de la veine en aval par une prise d'air effectuée
du
.. côté des bords d'attaque, en amont par rapport aux bords de fuite situés en
aval.
Un soufflage de l'air injecté se produit dans la veine d'amont en aval par
cette
prise d'air. L'injection est orientée de sorte que l'air injecté souffle dans
la veine le
long des aubes et/ou des flasques. Un prélèvement de cet air est alors réalisé
par
aspiration dans la veine du côté des bords de fuite, de sorte que la pression
de
.. l'air prélevé est sensiblement supérieure à la pression d'air s'écoulant au
niveau
du prélèvement. Ainsi, la transition d'une couche limite laminaire de
l'écoulement
d'air vers une couche turbulente est amorcée et/ou renforcée par augmentation
de
son niveau d'énergie.
[0010]L'injection peut être orientée de 0 à environ 90 par rapport à
.. une normale à la face d'injection. De manière avantageuse, l'air est
injecté le plus
tangentiellement possible à la face d'injection dans le sens de l'écoulement
d'air.
Ainsi, la transition d'une couche limite laminaire de l'écoulement d'air vers
une
couche turbulente est amorcée et/ou renforcée par augmentation de son niveau
d'énergie.
[0011 ]Un tel soufflage permet ainsi de stabiliser une couche limite en
la rendant turbulente lorsqu'elle est laminaire, et de retarder ainsi les
décollements
car une couche limite turbulente est intrinsèquement plus stable qu'une couche
limite laminaire. Lorsque la couche limite est turbulente, cet apport
d'énergie
retarde l'apparition des décollements. De plus, même si le décollement de
l'écoulement d'air est déjà amorcé, l'apport d'énergie peut également
permettre le
recollement de la couche limite.
[0012]Le phénomène de ré-énergisation selon l'invention peut être
renforcé par l'effet coanda qui apparaît lorsqu'un jet d'air se trouve
proche
d'une paroi convexe. Cet effet se traduit par une attirance du fluide vers la
paroi.
Cet effet coanda peut être maximisé en fonction de la vitesse et de l'angle
d'éjection de l'air au niveau du prélèvement.
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[0013]Selon des formes de mise en uvre avantageuses, le procédé
selon l'invention prévoit de prélever l'air soit en aval du diffuseur, dans
une grille
ultérieure de l'étage ou dans un étage ultérieur, soit dans le diffuseur
concerné, en
particulier à proximité du bord de fuite des aubes.
[0014]Dans le cas où l'air est prélevé dans le diffuseur, selon des modes
plus particuliers :
- le prélèvement d'air peut être réalisé sur les intrados et/ou extrados
des
aubes, et le soufflage sur les aubes intrados et/ou extrados ;
- le prélèvement peut être réalisé sur les flasques de moyeu et/ou de
carter du diffuseur et le soufflage sur les flasques ;
- le prélèvement peut être réalisé sur les aubes et le soufflage sur les
flasques ou inversement (par un prélèvement sur les flasques et un soufflage
sur
les aubes) ;
- la vitesse d'éjection de l'air, lors de son injection, est choisie entre
Mach
0,7 et 1, et l'angle d'éjection est choisi entre 600 et 900 par rapport à une
normale
à la face d'injection des aubes et/ou des flasques d'aspiration, afin de
maximiser
l'effet coanda.
[0015]L'invention se rapporte également à un diffuseur apte à mettre en
oeuvre ce procédé. Un tel diffuseur de compresseur de type centrifuge ou mixte
comporte deux flasques enserrant une pluralité d'aubes circonférentielles. Au
moins un passage amont transversal est réalisé dans les intrados et/ou
extrados
des aubes et/ou dans un flasque en au moins un point d'injection d'air dans la
veine, situé en zone de bord d'attaque du côté amont du diffuseur, selon le
sens
de compression de la turbine à gaz. Ce passage est apte à former un couplage
injection/prélèvement dans la veine par une recirculation dans le diffuseur
et/ou le
long du flasque hors diffuseur. Le prélèvement d'air en au moins un point en
zone
de bord de fuite du côté aval du diffuseur est réalisé par une aspiration dans
au
moins un sillon formé le long d'un flanc des aubes et/ou en face interne du
flasque.
[0016]Selon certains modes de réalisation préférés :
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- l'injection est réalisée par au moins un passage amont transversal,
réalisé dans les intrados et/ou extrados des aubes et qui débouche dans le
sillon
des aubes et/ou dans la face interne du flasque ;
- les passages aval et amont transversaux sont formés par des cavités
et/ou des fentes;
- les passages présentent un axe central incliné par rapport à une
normale à la face sur laquelle il débouche, avec un angle sensiblement compris
entre 0 et 900, de préférence un angle proche de 90 pour les passages amont
et proches de 0 pour les passages aval ;
- les passages peuvent être positionnés sensiblement sur toute la
longueur de chaque sillon, du côté des extrados et/ou intrados, avec un
passage
amont et un passage aval par sillon ;
- le sillon présente une largeur constante ou évolue linéairement en
fonction de l'abscisse curviligne de chaque aube ;
- le sillon est débouchant en bord de fuite et le bord de fuite présente
alors des rebords courbes pour favoriser l'aspiration ;
- le sillon s'étend sensiblement entre 1 et 100% de la longueur de chaque
aube ;
- les sillons sont au moins au nombre de deux, et sont disposés
successivement ou parallèlement le long de chaque aube.
PRÉSENTATION DES FIGURES
[0017]D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente
invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en
référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :
- la figure 1, une vue schématique en coupe partielle d'une turbine à gaz
comportant un diffuseur d'air ;
- les figures 2a à 2c, des vues en perspective d'un diffuseur à aubes avec
un et deux flasques, ainsi que celle d'une aube isolée (figure 2c) ;
- les figures 3a et 3b, des vues schématiques en coupe longitudinale et
supérieure d'un premier exemple de diffuseur selon l'invention à prélèvement
et
soufflage d'air sur aube ;
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- les figures 4a et 4b, des vues schématiques en coupe longitudinale et
supérieure d'un deuxième exemple de diffuseur à prélèvement et soufflage d'air
sur aube selon l'invention ;
- la figure 5, des vues supérieures de variantes d'aubes des premier et
deuxième exemples selon des schémas 5a à 5i, et
- les figures 6a et 6b, une vue frontale schématique et une vue de flasque
agrandie d'un exemple de diffuseur à prélèvement et soufflage sur un flasque.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
[0018]Les termes aval et amont qualifient des positionnements
par rapport à l'écoulement des flux d'air. Sur toutes les figures, des signes
de
références identiques renvoient aux passages de la description dans lesquels
les
éléments correspondant à ces signes de référence sont définis.
[0019] En référence à la vue schématique en coupe partielle d'une turbine
à gaz 1 d'hélicoptère selon la figure 1, un flux d'air F est d'abord aspiré
dans une
manche d'entrée d'air frais 2, puis comprimé entre les pales 3 d'un rouet 4 de
compresseur centrifuge 5 et un couvercle 9. La turbine est de symétrie axiale
autour de l'axe X'X.
[0020] Le compresseur 5 est ici centrifuge et le flux F comprimé sort alors
radialennent du rouet 4. Lorsque le compresseur est mixte, le flux sort
incliné selon
un angle compris entre 00 et 90 par rapport à une direction radiale,
perpendiculaire à l'axe X'X.
[0021]Le flux F passe alors par un diffuseur 6, formé à la sortie du
compresseur 4, pour être redressé et acheminé vers des canaux 7 d'entrée de
chambre de combustion 8.
[0022]Pour effectuer ce redressement, le diffuseur 6 se compose d'une
pluralité d'aubes courbes 60, formées entre deux flasques à la périphérie du
rouet
4 ¨ ici de manière radiale - et donc de révolution autour de l'axe X'X.
[0023]La figure 2a illustre plus précisément une vue en perspective du
diffuseur 6 à aubes 60 solidarisées à deux flasques 61. Sur la figure 2b, où
un
flasque a été supprimé pour plus de clarté, chaque aube 60 présente, de
manière
connue, une face dite extrados 6e et une face dite intrados 6i. Comme illustré
plus
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précisément sur l'aube 60 de la figure 2c, ces faces extrados 6e et intrados
6i
s'étendent longitudinalement et sensiblement parallèlement à une surface
moyenne Fm de l'aube. Dans l'exemple illustré, ces faces sont reliées par un
bord
d'attaque effilé 6a et un bord de fuite arrondi 6f, dans le sens d'écoulement
des
flux d'air. Transversalement aux extrados et intrados, chaque aube 60 présente
des flancs plans 6p solidaires des flasques 61.
[0024] Les aubes présentent une évolution d'épaisseur entre leurs flancs
6p, suffisante pour y former des sillons comme décrit ci-après. Cette
épaisseur
peut atteindre plusieurs millimètres sur 20 à 100% de l'abscisse curviligne
moyenne Sm de l'aube 60 le long de la surface moyenne Fm.
[0025]A l'aide des figures 3a et 3b, un premier exemple de réalisation
d'un diffuseur à prélèvement et soufflage d'air sur aube va maintenant être
décrit.
[0026]Sur la vue en coupe longitudinale de la figure 3a et la vue
supérieure 3b, un sillon longitudinal 62 apparaît maintenant. Ce sillon
débouche
sur le bord de fuite 6f, sans être débouchant sur le bord d'attaque 6a. Ce
sillon est
réalisé par usinage du matériau d'alliage métallique du flanc 6p de chaque
aube
60, formant des parois longitudinales 65, sensiblement parallèles aux faces
intrados 6i et extrados 6e, et de fond 66 parallèlement aux flancs 6p.
[0027]De plus, l'aube 60 est pourvue d'une série d'orifices 63 débouchant
dans la veine d'air V entre les aubes 60 via des cavités cylindriques de
soufflage
64. Comme illustré par la figure 3h, des flux d'air F1 ainsi soufflés via les
orifices
63 débouchent sur l'intrados 6i. Selon d'autres exemples de réalisation, les
flux F1
peuvent également ou alternativement déboucher sur l'extrados 6e. Dans
l'exemple, les orifices 63 sont alignées parallèlement aux bords d'attaque 6a
et de
fuite 6f.
[0028]Ces cavités de soufflage d'air 64 sont inclinées d'un angle compris
entre 0 et 900 vers l'aval, par exemple de 30 , par rapport à l'abscisse
curviligne
moyenne Sm de l'aube. Les flux F1 débouchent par les orifices 63 et soufflent
dans la veine V vers l'aval. Une partie de ces flux ainsi que d'autres flux
provenant
d'aubes adjacentes, sont aspirés, sous forme de flux Fi, de la veine V vers le
sillon
62 dans la zone du bord de fuite 6f (au niveau du bord de fuite 6f dans
l'exemple
illustré).
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[0029] Les flux Fi sont alors injectés par aspiration dans le sillon 62 de
l'aube 60 du côté amont où la pression est inférieure. La recirculation des
flux d'air
via le sillon entre les zones de bord de fuite 6f et d'attaque 6a réalise un
couplage
aspiration/soufflage. La ré-énergisation des flux d'air entrants permet alors
de
stabiliser ces flux et d'empêcher leur décollement ou éventuellement de les
recoller si le décollement était amorcé. L'aspiration en bord de fuite, ou
dans des
zones proches du bord de fuite, permet également d'atténuer - voire de
supprimer
- les zones potentiellement encore décollées.
[0030]Alternativement, les cavités peuvent déboucher du côté extrados
6e, et/ou ces cavités peuvent être remplacées par une ou plusieurs fentes
formées sur un flanc 6p. Des sillons peuvent également être usinés sur les
deux
flancs 6p opposés, en conservant une portion centrale de fond 66 des sillons.
[0031]En référence aux figures 4a et 4b, un deuxième exemple de
diffuseur à prélèvement et soufflage d'air sur aube est illustré par des vues
identiques que les figures 3a et 3b. Les figures 4a et 4b reprennent les
signes de
référence des figures 3a et 3b, lesquels signes renvoient aux mêmes éléments
déjà définis dans les passages précédents, en référence respectivement aux
figures 3a et 3b.
[0032]La différence avec le premier exemple de diffuseur tient aux
moyens d'aspiration de flux d'air Fi dans le sillon 62 au niveau du bord de
fuite 6f.
Selon ce deuxième exemple, les flux Fi sont réinjectés via des cavités 74
réalisés
dans l'intrados 6i du côté du bord de fuite 6f et débouchant dans le sillon
62. Les
cavités d'aspiration sont, dans l'exemple illustré, sensiblement
transversales.
Alternativement, elles peuvent être inclinées d'un angle proche de 90 par
rapport à la normale à l'abscisse curviligne Sm de l'aube 60 en fonction des
configurations. Elles peuvent également être remplacées par des fentes comme
les cavités de soufflage 64.
[0033] D'autres variantes pour ces premier et deuxième exemples sont
illustrées aux schémas 5a à 5k de la figure 5. Ces schémas montrent une aube
62
en vue supérieure
[0034] Les schémas 5a à 5c se rapportent à des aubes 60 de sillons 62a
à 62c respectivement de largeur e constante et débouchant sur le bord de
fuite
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6f (sillon 62a, schéma 5a), ou de largeur e linéairement variable en
fonction de
l'abscisse curviligne moyenne Sm de l'aube 60 (sillons 62b et 62c, schémas 5b
et
5c). Le sillon peut être débouchant (sillons 62a et 62c, schémas 5a et 5c) ou
non
débouchant (sillon 62b, schéma 5b) sur le bord de fuite 6f. Lorsque le sillon
est
débouchant, le bord de fuite 6f présente alors des rebords 67 conformés pour
optimiser l'aspiration d'air.
[0035]Par ailleurs, les cavités d'aspiration 74 et d'injection 64 peuvent
déboucher sur les mêmes faces : intrados 6i (schémas 5d et 5e) ou extrados 6e
(schémas 5f et 5g). Elles peuvent également déboucher sur des faces
différentes :
extrados 6e pour les cavités d'aspiration 74 et intrados 6i pour les cavités
de
réinjection 64 (schéma 5h), ou intrados 6i pour les cavités d'aspiration 74 et
extrados 6e pour les cavités de réinjection 64 (schéma Si). Les schémas 5d à
Si
montrent un sillon 62b de largeur linéairement croissante et non débouchant.
[0036]En outre, les cavités ou fentes peuvent être positionnées et
débouchées en tout point de la longueur du sillon, avec des angles pouvant
tendre
vers 90 par rapport à la normale à l'abscisse curviligne de l'aube.
[0037]Les sillons peuvent, de manière générale, s'étendre sur toute la
longueur de l'aube 60 ou sur une longueur minimale, proche de 0% de la
longueur
totale.
[0038]De plus, plusieurs sillons peuvent être usinés sur un même flanc
6p, par exemple deux sillons, comme illustrés sur les schémas 5j et 5k. Sur le
schéma 5j, les sillons 6j et 6j' se succèdent le long de l'aube 60. Sur le
schéma 5k,
les sillons 6k et 6k' sont sensiblement parallèles le long de l'aube 60.
[0039]Par ailleurs, la figure 6a illustre une vue frontale d'un troisième
exemple de diffuseur 60 conforme à l'invention. Dans cet exemple, le
prélèvement
d'air ¨ toujours effectué en zone de bord de fuite 6f du diffuseur 6 (flèche
F2) est
réalisé par aspiration à travers une ouverture 70 réalisée radialement dans le
flasque 61. Les flux d'air F3 sont redirigés vers l'amont dans un logement de
carter 71 sensiblement parallèle au diffuseur 6, ce logement 71 et le
diffuseur 6
ayant le flasque 61 comme paroi commune. Le soufflage est réalisé par
réinjection
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des flux F4 le long de la face interne 61i du flasque 61 à travers des trous
72
formés dans la zone du bord d'attaque 6a du diffuseur 6.
[0040] Les trous 72 sont inclinés par rapport au flasque 61 comme cela
apparaît plus précisément en référence à la vue schématique agrandie de la
figure
6b. La diffusion des flux d'air F4 est ainsi réinjectée sur la face 61i du
flasque 61
située du côté intérieur du diffuseur 6. La ré-énergisation des zones de files
d'air à
faible quantité de mouvement est alors favorisée en bord d'attaque du
diffuseur.
[0041 ] L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés.
Ainsi, les cavités et fentes ne sont pas nécessairement cylindriques ou
.. partiellement cylindriques mais peuvent de section variée : prismatiques,
oblongues, etc. Par ailleurs, lorsque le prélèvement et la réinjection d'air
est
réalisé à travers le flasque, le logement de transit peut être formé dans le
carter ou
dans le moyeu du diffuseur.
