PROCEDE DE DIFFUSION D'UN ETAGE DE COMPRESSION D'UNE TURBINE A GAZ ET ETAGE DE DIFFUSION DE MISE EN OEUVRE

METHOD FOR DIFFUSING A GAS TURBINE COMPRESSION STAGE, AND DIFFUSION STAGE FOR IMPLEMENTING SAME

English Abstract

The aim of the invention is to produce an airflow by positioning flanges, the shapes of which are optimized. Non-axisymmetrical shapes in the direction of flow and in the tangential direction are thus provided. According to one embodiment, a radial or mixed gas turbine compressor diffusion stage comprises a wheel consisting of two flanges (9) between which the fluid centrifugally or inclinedly flows from the center towards the periphery. Vanes (60) of a grating are distributed among the flanges (9) in order to channel the flow of the fluid between the leading edges (6a) of said vanes (60) on the central side, and the trailing edges on the peripheral side. At least one of the flanges (9) has an inner surface (9i) comprising at least one area (Z1, Z2) having alternating concave (91) and convex (92) curvatures between two adjacent vanes (60), in at least one of two substantially perpendicular directions, namely in the direction of flow (F) along the vanes (60) and in an inter-vane tangential direction.

French Abstract

L'invention vise à réaliser un écoulement d'air par une mise en place de flasques optimisés en forme. Des formes non-axisymétriques dans le sens de l'écoulement et dans la direction tangentielle sont ainsi proposées. Selon une forme de réalisation, un étage de diffusion de compresseur radial ou mixte de turbine à gaz comporte une roue formée de deux flasques (9) entre lesquelles s'écoule le fluide de manière centrifuge ou inclinée à partir du centre vers la périphérie. Des aubes (60) d'une grille sont réparties entre les flasques (9) pour canaliser l'écoulement du fluide entre les bords d'attaque (6a) de ces aubes (60) du côté du centre et les bords de fuite du côté de la périphérie. Au moins l'un des flasques (9) présente une face interne (9i) comportant au moins une zone (Z1, Z2) à courbures alternées en creux (91) et en bosse (92) entre deux aubes adjacentes (60), dans au moins une parmi deux directions sensiblement perpendiculaires, à savoir dans le sens d'écoulement (F) le long des aubes (60) et dans une direction tangentielle inter-aubes.

Claims

7
REVENDICATIONS
1. Procédé de diffusion de l'écoulement d'air dans un étage de
compression d'une turbine à gaz comportant un ensemble de diffusion composé
d'une roue formée de deux flasques entre lesquelles s'écoule un fluide de
manière
centrifuge ou inclinée à partir du centre vers la périphérie, des aubes d'une
grille
étant réparties entre les flasques tout le long de la roue pour canaliser
l'écoulement du fluide entre les bords d'attaque des aubes du côté du centre
et les
bords de fuite du côté de la périphérie, dans lequel au moins l'un des
flasques
présente au moins une alternance de courbures concave et convexe dans le sens
d'écoulement le long des aubes, et l'un des flasques présente également au
moins une alternance de courbures concave et convexe dans une direction
tangentielle inter-aubes sensiblement perpendiculaires au sens d'écoulement le
long des aubes.
2. Étage de diffusion de compresseur radial ou mixte de turbine à
gaz apte à mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, comportant
une
roue formée de deux flasques entre lesquelles s'écoule le fluide de manière
centrifuge ou inclinée à partir du centre vers la périphérie, des aubes d'une
grille
étant réparties entre les flasques tout le long de la roue pour canaliser
l'écoulement du fluide entre les bords d'attaque des aubes du côté du centre
et les
bords de fuite du côté de la périphérie, dans lequel au moins l'un des
flasques
présente une face interne comportant au moins une zone à courbures alternées
en creux et en bosse entre deux aubes adjacentes.
3. Étage de diffusion de compresseur radial ou mixte de turbine à
gaz selon la revendication 2, dans lequel au moins l'un des flasques présente
une
face interne comportant également au moins une zone à courbures alternées en
creux et en bosse entre deux aubes adjacentes dans une direction tangentielle
inter-aubes.

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4. Étage de diffusion selon l'une quelconque des revendications 2 et
3, présentant des zones alternées en creux et en bosse entre les aubes jusqu'à
sensiblement 80 d'une corde d'une aube.
5. Étage de diffusion selon l'une quelconque des revendications 2 et
3, présentant des zones alternées en creux et en bosse entre les aubes jusqu'à
sensiblement 50% d'une corde d'une aube.
6. Étage de diffusion en bord d'attaque des aubes selon l'une
quelconque des revendications 3 à 5, présentant des zones de creux et de bosse
en bord d'attaque des aubes, avec un début en amont du bord d'attaque.
7. Étage de diffusion en bord d'attaque des aubes selon l'une
quelconque des revendications 3 à 6, présentant des zones de creux et de bosse
en bord de fuite des aubes, jusqu'en aval du bord de fuite.
8. Étage de diffusion en bord d'attaque des aubes selon l'une
quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel ces zones alternées de creux
et
de bosse s'appliquent sur au moins l'un des deux flasques de diffusion
centrifuges
et mixtes.
9. Étage de diffusion selon la revendication 8, dans lequel les zones
alternées s'appliquent sur les flasques de manière symétrique par rapport à un
plan de symétrie central des flasques ou de manière parallèle.

Description

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1
PROCÉDÉ DE DIFFUSION D'UN ÉTAGE DE COMPRESSION D'UNE TURBINE
A GAZ ET ÉTAGE DE DIFFUSION DE MISE EN OEUVRE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
[0001] L'invention se rapporte à un procédé de diffusion de l'écoulement
d'air dans un étage de compression d'une turbine à gaz, ainsi qu'a un étage de
diffusion apte à mettre en oeuvre ce procédé.
[0002]Le domaine de l'invention concerne l'amélioration des
performances et de la marge au pompage des compresseurs centrifuges et mixtes
sur l'ensemble de diffusion de l'étage concerné. Cet ensemble de diffusion a
pour
fonction de transformer l'énergie cinétique du fluide, obtenue en sortie de la
roue
centrifuge constituant l'étage, en pression statique. L'opération doit se
dérouler
avec un minimum de perte de pression totale tout en maintenant un niveau de
stabilité du compresseur satisfaisant afin de maintenir une marge au pompage
acceptable pour le fonctionnement de la turbomachine.
[0003]Un compresseur centrifuge possède au moins un étage de
compression radial, c'est-à-dire apte à réaliser un écoulement de l'air
perpendiculaire à l'axe central du compresseur. Un compresseur mixte possède
au moins un étage de compression incliné par rapport audit axe central.
[0004]Un ensemble de diffusion d'un étage de compression est composé
d'une roue formée de deux flasques entre lesquelles s'écoule le fluide de
manière
centrifuge ou inclinée à partir du centre vers la périphérie. Des aubes sont
réparties entre les flasques tout le long de la roue. Ces aubes forment une
grille
d'écoulement entre les bords d'attaque de ces aubes du côté du centre et les
bords de fuite du côté externe.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
[0005]Les flasques des ensembles de diffusion radiaux et mixtes sont
traditionnellement plans et les sections de passage du fluide entre les aubes
sont

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avantageusement évolutives. Les évolutions des sections de passage sont
définies par la section de passage au col du diffuseur et par le niveau de
ralentissement entre les bords d'attaque et de fuite de la grille d'aubes. .
[0006]D'autres architectures prévoient des flasques axisymétriques en
liaison avec des veines évolutives pour un contrôle supplémentaire de la
section
de passage et optimiser ainsi la diffusion dans la grille.
[0007]Ces solutions ne permettent un contrôle que dans une dimension,
celle de la variation de la section de passage. Aucun contrôle de
l'hétérogénéité
tangentielle de l'écoulement du fluide, entre deux aubes, n'est réalisé. Or ce
contrôle permet de réguler et d'optimiser l'écoulement.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
[0008] L'invention vise à réaliser un tel écoulement par la mise en place
de flasques optimisés en forme car ces flasques représentent la plus grande
surface mouillée par l'écoulement. Des formes non-axisymétriques dans le
sens de l'écoulement et tangentiellement sont ainsi proposées.
[0009]Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de
diffusion de l'écoulement d'air dans un étage de compression d'une turbine à
gaz
comportant un ensemble de diffusion composé d'une roue formée de deux
flasques entre lesquelles s'écoule le fluide de manière centrifuge ou inclinée
à
partir du centre vers la périphérie. Des aubes d'une grille sont réparties
entre les
flasques tout le long de la roue pour canaliser l'écoulement du fluide entre
les
bords d'attaque de ces aubes du côté du centre et les bords de fuite du côté
de la
périphérie. Dans ce procédé, au moins l'un des flasques présente au moins une
alternance de courbures concave et convexe dans au moins une parmi deux
directions sensiblement perpendiculaires, à savoir dans le sens d'écoulement
le
long des aubes et dans une direction tangentielle inter-aubes.
[0010]Dan ces conditions, la forme tridimensionnelle de la veine du fluide
permet de redistribuer et d'homogénéiser son écoulement dans cette veine : les
écoulements secondaires, générateurs de pertes de charge, sont sensiblement
réduits. La position des chocs dans les aubages transsoniques est modifiée et
leur

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intensité affaiblie. De plus, le blocage aérodynamique en entrée de la chambre
de
combustion qui suit l'étage de compression est également sensiblement réduit.
[0011]L'invention se rapporte également à un étage de diffusion de
compresseur radial ou mixte de turbine à gaz apte à mettre en oeuvre ce
procédé.
Un tel étage comporte une roue formée de deux flasques entre lesquelles
s'écoule
le fluide de manière centrifuge ou inclinée à partir du centre vers la
périphérie. Des
aubes d'une grille sont réparties entre les flasques tout le long de la roue
et pour
canaliser l'écoulement du fluide entre les bords d'attaque de ces aubes du
côté du
centre et les bords de fuite du côté de la périphérie. Au moins l'un des
flasques
présente une face interne comportant au moins une zone à courbures alternées
en creux et de bosse entre deux aubes adjacentes, dans au moins une parmi
deux directions sensiblement perpendiculaires, à savoir dans le sens
d'écoulement le long des aubes et dans une direction tangentielle inter-aubes.
[0012]Selon des particularités avantageuses, l'étage de diffusion
présente des zones alternée en creux et en bosse entre les aubes, en
particulier
jusqu'à sensiblement 80 % (de préférence jusqu'à sensiblement 50%) d'une corde
d'une aube, en bord d'attaque des aubes, avec un début en amont du bord
d'attaque, et/ou en bord de fuite, jusqu'en aval du bord de fuite. Ces zones
alternées de creux et de bosse peuvent s'appliquer sur l'un et/ou l'autre des
deux
flasques de diffusion centrifuges (radiaux) et mixtes, notamment de manière
symétrique, par rapport à un plan de symétrie central des flasques, ou de
manière
parallèle dans le cas où les deux flasques de l'étage sont concernés.
PRÉSENTATION DES FIGURES
[0013]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 en coupe partielle d'une turbine à gaz comportant
un diffuseur d'air ;
- les figures 2a et 2b, des vues en perspective d'un étage de diffusion à
aubes comportant un et deux flasques ;

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- les figures 3a à 3c, des vues schématiques de profils d'un flasque dans
le sens d'écoulement de l'air le long d'une aube, avec deux zones à courbure
alternée respectivement le long de l'aube, en bord de fuite jusqu'en aval de
l'aube,
et en bord d'attaque à partir de l'amont de l'aube ;
- la figure 4, une vue schématique partielle dans la direction tangentielle
inter-aubes, avec un flasque présentant deux zones à courbure alternée ;
- la figure 5, une vue schématique inter-aubes perspective en bord
d'attaque avec un flasque présentant une zone à courbure alternée ; et
- la figure 6, une vue schématique perspective en bord de fuite de deux
aubes avec un flasque plan et un flasque présentant une zone à courbure
alternée.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
[0014]Les termes aval et amont qualifient des positionnements
par rapport à l'écoulement du 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.
[0015] 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 10. La turbine est de symétrie axiale
autour d'un axe X'X.
[0016] Le compresseur 5 est ici centrifuge et le flux F comprimé sort alors
radialement 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.
[0017]Le flux F passe alors par un diffuseur ou roue 6, disposé en sortie
du compresseur 4, pour être redressé et acheminé vers des canaux 7 d'entrée
d'une chambre de combustion 8.
[0018]Pour effectuer ce redressement, la roue 6 se compose d'une
pluralité d'aubes courbes 60, agencées entre deux flasques 9 à la périphérie
du
rouet 4 ¨ ici de manière radiale - et donc de révolution autour de l'axe X'X.

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[0019]La figure 2b illustre plus précisément en vue perspective le
diffuseur 6 à aubes 60 solidarisées à deux flasques 9. Sur la figure 2a, 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. Dans l'exemple
5 illustré, ces faces sont reliées par un bord d'attaque effilé 6a et un
bord de fuite
arrondi 6f, dans le sens d'écoulement du flux d'air. Transversalement aux
extrados
et intrados, chaque aube 60 présente des flancs plans 6p solidarisés aux
flasques
9.
[0020]Les flasques 9 des figures 2a et 2b sont classiquement plans.
Selon l'invention, l'un au moins de ces flasques 9 présentent, dans l'espace E
qu'ils définissent entre eux, au moins une zone à courbure alternée entre deux
aubes 60.
[0021]En référence à la figure 3a, un tel flasque 9 est illustré de profil,
dans le sens d'écoulement du flux d'air F le long des aubes 60, de l'entrée en
bord
d'attaque 6a de l'aube jusqu'au canal 7 de sortie vers la chambre de
combustion.
Deux zones à courbure alternée Z1 et Z2 sont réalisées dans le flasque 9, le
long
des aubes 60. Chacune de ces zones présente du côté du flux F, et par rapport
à
la portion de face plane 9p du flasque 9, une portion en creux 91 et une
portion en
bosse 92. Les zones Z1 et Z2 s'étendent globalement, dans l'exemple illustré
non
limitatif, sur environ 80% de la longueur de la corde 6c des aubes 60.
[0022] Le flasque 9 présente sur les figures une épaisseur filiforme pour
simplifier la présentation, mais il présente en réalité une certaine épaisseur
et les
zones à courbure alternée sont formées sur la face interne 9i du flasque où
s'écoule le flux d'air F. La face externe 9e du flasque 9 peut rester plane ou
épouser également des formes à courbure alternée en bosse et creux, inversées
dans cet exemple par rapport aux formes en creux et bosse de la face interne
9i.
Dans le premier cas, le flasque présente une épaisseur variable et, dans le
second cas, une épaisseur constante. La forme des flasques peut dépendre en
particulier de la méthode utilisée pour réaliser les zones de courbure
alternée : par
fraisage, laser, électroérosion, formage, emboutissage, etc.
[0023] Sur les figures 3b et 3c, les deux zones à courbure alternée Z1 et
Z2 sont respectivement formées en bord de fuite 6f des aubes 60 et jusqu'en
aval

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des aubes dans l'entrée du canal 7, et/ou en bord d'attaque 6a à partir de
l'entrée
amont des aubes 60.
[0024]La figure 4 illustre une vue schématique partielle de l'étage de
diffusion dans la direction tangentielle 6t inter-aubes, c'est-à-dire entre
deux
aubes 60. La flèche F indique le sens d'écoulement de l'air. La face interne
9i du
flasque 9 présente deux zones à courbure alternée Z1 et Z2 qui s'étendent
principalement entre les faces intrados 6i et extrados 6e deux aubes 60.
[0025]La vue en perspective inter-aubes en bord d'attaque 6a de la figure
5 montre, plus précisément, le flasque 9 avec une zone à courbure alternée Z1
entre les deux aubes 60. La zone présente la portion à courbure en creux 91, à
l'intrados 6i d'une aube 60, et la portion à courbure en bosse 92, à
l'extrados 6e
de l'autre aube 60. Cette alternance de courbures permet un équilibrage des
pressions entre l'intrados et l'extrados de chaque aube 60. La section au col
6s
entre les bords d'attaque 6a est conservée.
[0026]Aux bords de fuite 6f, l'homogénéisation de l'écoulement du flux
d'air F est illustrée en perspective par la figure 6. Avec un flasque plan 90
(représenté hachuré sur la figure) entre deux aubes 60, un blocage
aérodynamique se créé dans la zone ZO à très faible quantité de mouvement.
Dans cette configuration de l'état de la technique, l'écoulement d'air
principal
(flèche F) est à fort nombre de Mach. Par contraste, avec un flasque 9 à
courbure
alternée selon l'invention, la zone de blocage aérodynamique est supprimée et
l'écoulement de l'air F est homogénéisé en occupant toute la section de
passage
offerte, avec un nombre de Mach plus faible.
[0027] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et
représentés. Ainsi, dans les exemples illustrés les courbures sont alternées
dans
le sens d'écoulement du fluide F mais également dans la direction tangentielle
6t.
Dans d'autres variantes, les zones à courbure alternée peuvent se juxtaposer
de
sorte que des portions de surface de même courbure, en creux ou en bosse,
peuvent se côtoyer.

Representative Drawing