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WO 2014/006310 1 PCT/FR2013/051531
REDRESSEUR DE TURBOMACHINE AVEC AUBES A PROFIL AMELIORE
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne le domaine des redresseurs de turbomachines et des
turbomachines comprenant de tels redresseurs.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Une turbomachine à double flux pour la propulsion aéronautique est
représentée en figure 1. Elle comprend une soufflante 10 délivrant un flux
d'air dont
une partie centrale, appelée flux primaire Fp, est injectée dans un
compresseur 12
qui alimente une turbine 14 entraînant la soufflante.
La partie périphérique, appelée flux secondaire Fs, du flux d'air est quant à
elle éjectée vers l'atmosphère pour fournir une partie de la poussée de la
turbomachine 1, après avoir franchi une couronne d'aubes fixes disposée en
aval de
la soufflante. Cette couronne, appelée redresseur 20 (également connue sous
l'acronyme anglais OGV pour Outlet Guide Vanne ), permet de redresser le
flux
d'air en sortie de la soufflante, tout en limitant les pertes au maximum.
En effet, une diminution de 0.1 % des pertes (par exemple diminution de
pression) dans le redresseur peut entrainer une augmentation de 0.2 point de
rendement de l'ensemble comprenant la soufflante et le redresseur, la
correspondance entre les pertes et le rendement dépendant bien entendu du
moteur et de la charge aérodynamique de la soufflante associée.
L'efficacité du redresseur dépend notamment des gradients de certaines
grandeurs physiques du flux d'air en sortie de la soufflante, en fonction de
la
distance par rapport à l'axe de la turbomachine. C'est ce qu'on appelle
l'alimentation
du redresseur par la soufflante. Ces grandeurs physiques sont par exemple le
débit
de l'air, son taux de compression ou sa température.
Le redressement du flux d'air est assuré par les aubes du redresseur, dont la
disposition et la géométrie sont adaptées à cette alimentation. Au cours des
développements dans ce domaine, les premières aubes de redresseurs étaient
bidimensionnelles, de forme sensiblement rectangulaire. Cependant, ces
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géométries ne sont plus compatibles avec des améliorations de pertes et des
diminutions d'encombrement demandées par les nouvelles conceptions. Des
profils
tridimensionnels d'aubes de redresseurs ont donc été développés, comme par
exemple dans le document FR 2 828 709.
De nouveaux profils d'alimentation du redresseur ont en outre conduit à
poursuivre la conception des redresseurs dans cette voie.
Il a été notamment proposé dans le document US 2005/008494 un
redresseur dont les aubes s'étendent radialement autour de l'axe de révolution
du
redresseur, et présentent une extrémité de tête inclinée d'un angle compris
entre 27
et 33 degrés par rapport à la direction radiale, ceci afin de réduire le bruit
engendré
par la soufflante positionnée en amont du redresseur.
Cependant le redresseur proposé dans ce document ne permet pas
d'améliorer la répartition du débit d'air dans la veine du redresseur ni de
diminuer
les pertes.
PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention a pour but de proposer un redresseur dont les aubes présentent
une géométrie adaptée pour pallier au moins l'un des inconvénients précités.
A cet égard, l'invention a pour objet un redresseur de turbomachine,
comportant une pluralité d'aubes disposées autour d'un anneau centré sur un
axe
de la turbomachine, chaque aube présentant un bord d'attaque et s'étendant
entre
une extrémité de pied et une extrémité de tête, le bord d'attaque à
l'extrémité de
pied de chaque aube étant situé en amont du bord d'attaque à l'extrémité de
tête de
l'aube, par rapport à la direction du flux d'air, le décalage du bord
d'attaque entre
ces deux extrémités étant supérieur à 10 % de la hauteur de la pale, mesuré
dans la
direction de l'axe de la turbomachine, le redresseur étant caractérisé en ce
que la
courbe d'empilage tangentiel, constituée par la position, selon la direction
tangentielle à l'anneau, des centres de gravité de sections d'aube successives
dans
la hauteur de l'aube, est une courbe constamment croissante vers l'extrados de
l'aube, en ce que ladite courbe présente, au voisinage de l'extrémité de tête
d'une
aube, une pente accentuée vers l'extrados par rapport au reste de ladite
courbe, et
en ce que la pente moyenne de la courbe au voisinage de l'extrémité de tête de
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l'aube est supérieure à au moins 1.2 fois la pente de la courbe sur la portion
comprise entre 30% et 90% de hauteur de l'aube.
Avantageusement, mais facultativement, l'invention présente en outre au
moins l'une des caractéristiques suivantes :
- la partie de courbe au voisinage de l'extrémité de tête est comprise
entre
90% et 100% de la hauteur de l'aube.
- le bord d'attaque de chaque aube comprend au moins une partie située
en aval de la position du bord d'attaque à l'extrémité de tête de l'aube
par rapport à la direction du flux d'air.
- la partie en aval de la position du bord d'attaque à l'extrémité de tête
de
l'aube est incluse dans une zone du bord d'attaque située entre 60 et
100% de la hauteur de l'aube.
- le point du bord d'attaque disposé au droit de la position du bord
d'attaque à l'extrémité de tête de l'aube est situé entre 60 et 80 % de la
hauteur de l'aube.
- le bord d'attaque à l'extrémité de pied de chaque aube est situé en
amont du bord d'attaque à l'extrémité de tête de l'aube par rapport à la
direction du flux d'air d'une distance comprise entre 12 et 20 % de la
hauteur de la pale, la distance étant mesurée selon la direction de l'axe
de la turbomachine.
L'invention concerne en outre une turbomachine, comprenant au moins un
redresseur selon l'invention.
DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la
description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui
doit être lue
en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement une turbomachine
à double-flux.
- La figure 2a est une vue schématique partielle d'un redresseur.
- La figure 2b représente le principe d'une aube de redresseur formée
d'une pluralité de sections d'aubes.
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- La figure 3a représente l'évolution de la trace du bord d'attaque d'une
aube par rapport à la direction du flux d'air dans la turbomachine,
- La figure 3b représente la courbe d'empilage par rapport à la direction
tangentielle au redresseur.
- La figure 4a représente, d'une part pour une aube conforme à un mode
de réalisation de l'invention (courbe en trait plein) et d'autre part pour une
autre aube de géométrie bidimensionnelle (courbe en traits pointillés) la
répartition du débit de l'air le long de la hauteur de l'aube, au niveau du
pied de l'aube.
- La figure 4b représente, pour l'une et l'autre de ces deux aubes, les
pertes de pression de l'air au passage de l'aube le long de la hauteur de
l'aube, au niveau du pied de l'aube.
- La figure 4c représente, pour l'une et l'autre de ces deux aubes,
l'évolution des pertes de pression de l'air au passage de l'aube tout le
long de la hauteur de l'aube.
- Les figures 5a et 5b représentent les décollements en tête d'une aube,
respectivement selon l'art antérieur et selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION
En référence à la figure 1, une turbomachine 1 à double flux présente,
comme décrit précédemment, une soufflante 10, et un redresseur 20 de type OGV,
pour redresser un flux d'air secondaire Fs provenant de la soufflante.
En référence à la figure 2a, le redresseur 20 comprend une pluralité d'aubes
22 réparties régulièrement autour d'un anneau 29 centré sur l'axe de la
turbomachine (non représenté sur la figure). Les aubes représentées en figure
2a et
2b ne sont pas représentatives de la géométrie adoptée par l'invention.
Chaque aube 22 comprend un bord d'attaque 23, et un bord de fuite 24,
s'étendant entre une extrémité radialement interne 25, appelée pied de l'aube,
et
une extrémité radialement externe 26, appelée tête de l'aube. Le bord
d'attaque 23
et le bord de fuite 24 délimitent une face intrados I et une face extrados E.
On utilise en outre les notations suivantes : X est la direction de l'axe de
la
turbomachine ou axe moteur, Y est la direction tangentielle par rapport à
l'anneau
29 du redresseur, et Z est la direction radiale, selon laquelle s'étend chaque
aube.
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Avancée du bord d'attaque en pied d'aube
En référence à la figure 3a, on a représenté la position du bord d'attaque en
tous points de l'aube, par rapport à la direction X de l'axe moteur. Cette
courbe est
appelée trace du bord d'attaque.
Toutes les distances ont en outre été adimensionnées en fonction de la
hauteur de l'aube : ainsi l'ordonnée représente la position en hauteur du bord
d'attaque par rapport à la hauteur totale de l'aube, et l'abscisse représente
le
décalage du bord d'attaque, en pourcentage de la hauteur de l'aube, par
rapport à
la position E du bord d'attaque à l'extrémité de tête 26 de l'aube.
Comme visible sur la figure, la position A du bord d'attaque à l'extrémité de
pied 25 de l'aube est décalée en amont, dans la direction X de l'axe moteur,
par
rapport à la position E du bord d'attaque à l'extrémité de tête 26 de l'aube.
Ce
décalage est supérieur à 10% de la hauteur de l'aube. Il est de préférence
compris
entre 10 et 20 % de la hauteur de l'aube, avantageusement compris entre 12 et
20
% de la hauteur de l'aube, et encore plus avantageusement compris entre 15 et
20
%.
Cette avancée du pied de l'aube permet une meilleure répartition du débit
d'air sur la hauteur de la pale. Cette répartition de la valeur du débit du
flux d'air sur
l'aube est représentée en figure 4a, le long de la hauteur de l'aube pour une
partie
s'étendant entre l'extrémité de pied de l'aube et 50 % de la hauteur de celle-
ci.
On constate de bien meilleures performances pour l'aube proposée
(correspondant aux courbes en traits pleins sur les figures 4a à 4c), que pour
d'autres aubes et en particulier celles de l'art antérieur (courbes en traits
pointillés).
Notamment, à 10% de la hauteur de l'aube, on constate que le profil proposé
permet une augmentation de plus de 6% en débit,
Empilement tangentiel vers l'extrados
En référence à la figure 2b, chaque aube 22 est classiquement constituée
d'un empilement de sections d'aubes 27 successives dans la hauteur de l'aube.
En référence à la figure 3b, on a représenté la courbe d'empilage tangentiel
d'une aube, constituée par la position, par rapport la direction tangentielle
Y à
l'anneau 29, des centres de gravité des sections d'aube 27.
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Cette courbe est également adimensionnée par la hauteur de l'aube, l'origine
étant prise à la position A' du centre de gravité de la section en pied
d'aube. En
outre, les valeurs positives en abscisse correspondent à un décalage vers
l'extrados
de l'aube, tandis que les valeurs négatives correspondent à un décalage vers
l'intrados de l'aube.
Comme visible en figure 3b, la courbe d'empilage tangentiel d'une aube est
une courbe constamment croissante vers l'extrados de l'aube. Cet empilage
tangentiel vers l'extrados permet de diminuer les décollements du flux d'air
en tête
d'aube, d'augmenter la vitesse et le débit en pied d'aube, et de diminuer les
pertes
de pression dans cette zone. En particulier, on constate sur la figure 4b que
les
pertes en pied d'aube peuvent être diminuées de près de 2% grâce au profil
d'aube
proposé.
Avantageusement, l'avancée du bord d'attaque d'une aube en pied de pale
est combinée à un empilage tangentiel de l'aube vers l'extrados pour combiner
les
effets obtenus et diminuer au maximum les pertes de pression.
En outre, de retour à la figure 3b, la courbe d'empilement tangentiel de
l'aube présente avantageusement une pente accentuée, au voisinage de la tête
de
l'aube, par rapport au reste de l'aube.
De préférence, la courbe présente une partie C'D', située dans une région
comprise entre 90 et 100% de la hauteur de l'aube, telle que la pente moyenne
de
cette partie, c'est-à-dire la pente moyenne du segment C'D', est au moins 1,2
fois
celle de la portion B'C' comprise entre 30% et 90% de la hauteur de l'aube.
On a simulé un flux d'air franchissant une aube dont l'empilage tangentiel est
vers l'intrados, et un flux d'air franchissant une aube dont l'empilage
tangentiel est
vers l'extrados, avec accentuation de la pente en tête d'aube.
Les résultats sont illustrés respectivement en figures 5a et 5b, qui
représentent chacune une aube 22 et la zone de décollement ZD du flux d'air en
tête d'aube. On remarque que pour la première aube, en figure 5a, cette zone
de
décollement ZD est beaucoup plus importante que pour la seconde, conforme à
l'invention, de la figure 5b.
Enfin, de retour à la figure 3a, la trace du bord d'attaque d'une aube
présente en outre une partie située en aval de la position E du bord d'attaque
en
tête d'aube par rapport à la direction X de l'axe moteur.
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Ainsi, il existe un point C du bord d'attaque situé au droit de la position E
du
bord d'attaque en tête d'aube. Ce point est avantageusement situé entre 60 et
80%
de la hauteur de l'aube, de sorte que la partie située en aval de la position
E s'étend
elle-même dans la zone comprise entre 60 et 100 % de la hauteur de l'aube.
Le point C peut être plus préférablement situé entre 65 et 75 % de la hauteur
de l'aube.
Les positions respectives des points A, C et E impliquent donc que la trace
du bord d'attaque de l'aube présente, au voisinage de la tête de l'aube, une
forme
de crochet, ou de concavité ouverte vers l'amont par rapport à la direction de
l'axe
moteur.
Cette partie de l'aube au voisinage de la tête de l'aube est donc plus
éloignée de la soufflante de la turbomachine que le reste de l'aube, ce qui
permet
de limiter les perturbations acoustiques en tête d'aube.
La géométrie proposée permet donc d'améliorer les performances d'une
aube de redresseur et de diminuer les décollements du flux d'air en tête
d'aube.
