Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02878827 2015-01-09
WO 2014/009628 PCT/FR2013/051522
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Aube de turbomachine ayant un profil configuré de manière à obtenir
des propriétés aérodynamiques et mécaniques améliorées.
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention concerne le domaine des aubes de turbomachine,
et trouve une application particulière pour les aubes métalliques de la
soufflante, du compresseur haute pression ou du compresseur basse
pression d'une turbomachine.
ETAT DE L'ART
Les aubes d'une turbomachine sont soumises à des vitesses de rotation
importantes ; les performances aérodynamiques et mécaniques des
aubes sont donc capitales pour assurer un bon fonctionnement de la
turbomachine.
Plusieurs propositions ont déjà été apportées afin d'améliorer les
performances des aubes en jouant sur leur géométrie.
On peut notamment citer le document FR 2908152 au nom de la
demanderesse, dans lequel il est proposé de faire varier la géométrie de
l'aube le long de sa hauteur.
Plus précisément, ce document propose d'améliorer les performances
aérodynamiques d'une aube en lui conférant une géométrie décrite
comme la combinaison d'un ventre relativement bas et prononcé avec
une mise en flèche arrière fortement prononcée dans les directions
longitudinales et tangentielles.
Toutefois, en dépit des performances aérodynamiques accrues obtenues
grâce à une telle aube, son exploitation s'avère délicate du fait de
l'impact de cette géométrie particulière sur sa résistance mécanique, et
plus précisément en raison de l'impact de cette géométrie sur certains
modes de résonnances de l'aube.
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PRESENTATION DE L'INVENTION
La présente invention vise à remédier à cette situation en proposant une
aube associant des performances aérodynamiques et mécaniques
élevées.
A cet effet, l'invention propose une aube de turbomachine comprenant
une pluralité de sections d'aubes empilées selon un axe radial, chaque
section d'aube s'étendant selon un axe longitudinal entre un bord
d'attaque et un bord de fuite, et selon un axe tangentiel entre une face
intrados et une face extrados, les sections d'aubes étant réparties selon
des lois de répartition longitudinale Xg et tangentielle Yg définissant le
positionnement de leurs centre de gravité respectifs par rapport auxdits
axes longitudinal et tangentiel selon la hauteur de l'aube s'étendant du
pied de l'aube jusqu'à sa tête, caractérisée en ce que, dans une section
de tête de l'aube localisée entre 90 et 100% de la hauteur H de l'aube
- il existe une première hauteur à partir de laquelle la loi de
répartition longitudinale Xg effectue un retour vers le bord
d'attaque de l'aube,
- il existe une seconde hauteur à partir de laquelle la loi de
répartition tangentielle Yg effectue un retour vers l'extrados de
l'aube.
En variante, lesdites première et seconde hauteurs sont comprises entre
90% et 95% de la hauteur H de l'aube.
Selon un mode de réalisation particulier, lesdites première et seconde
hauteurs sont égales.
Ladite aube est typiquement réalisée en matériau métallique.
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L'invention concerne également une soufflante de turbomachine, un
compresseur basse pression ou un compresseur haute pression
comprenant une pluralité d'aubes telles que définies précédemment.
L'invention concerne en outre une turbomachine comprenant une
pluralité d'aubes telles que définies précédemment.
PRESENTATION 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 est une vue partielle en coupe longitudinale d'une
soufflante d'une turbomachine selon l'état de la technique.
- Les figures 2 et 3 sont des exemples de courbes présentant
l'évolution des lois Xg et Yg respectivement sur une partie de la
hauteur d'une aube selon l'invention.
- Les figures 4 et 5 sont des exemples de courbes présentant
l'évolution des lois Xg et Yg respectivement sur la hauteur d'une
aube selon l'invention.
- La figure 6 est un graphique montrant le gain de rendement
obtenu par une aube selon l'invention par rapport à des aubes
connues.
DESCRIPTION DETAILLEE
La figure 1 représente de façon schématique et partielle la soufflante 2
d'une turbomachine, typiquement un turboréacteur ayant un usage dans
l'aéronautique.
La soufflante 2 se compose d'une pluralité d'aubes 4 régulièrement
espacées autour d'un disque 6 (communément appelé moyeu) d'un
rotor centré sur un axe longitudinal X-X de la soufflante 2.
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Chaque aube 4 comporte communément une pale 8, un pied 10 et une
tête 12. Le pied 10 de l'aube est monté sur le disque 6 du rotor et est
raccordé à la pale 8 par l'intermédiaire d'une plate-forme 14 délimitant
le flux 16 gazeux traversant la soufflante 2. Le disque 6 du rotor est
entrainé en rotation autour de l'axe longitudinal X-X dans le sens
indiqué par la flèche 18.
La tête 12 de l'aube est quant à elle située en regard de la face interne
20 d'un carter fixe de la soufflante, cette face 20 délimitant également
la veine 16, qui est donc comprise entre la plate-forme 14 et la face
interne 20 du carter.
La pale 8 est composée d'une pluralité de sections d'aube 22 qui sont
empilées selon un axe radial Z-Z perpendiculaire à l'axe X-X. Les
sections d'aube 22 sont situées à des distances radiales croissantes de
l'axe longitudinal X-X. L'empilement qui en résulte forme une surface
aérodynamique qui s'étend selon l'axe longitudinal X-X entre un bord
d'attaque 24 et un bord de fuite 26 et selon un axe tangentiel Y-Y de la
soufflante entre une face intrados, opposée à la traction, et une face
extrados, du côté de la traction (non représentées sur les figures).
L'aube a une hauteur H, mesurée du pied 10 vers la tête 12 de l'aube
selon l'axe radial Z-Z. On définit que la section de l'aube située à 0% de
la hauteur H correspond au rayon d'intersection entre le bord d'attaque
24 et la veine intérieure d'écoulement du flux gazeux, et la section
située à 100% de la hauteur H correspond au point au rayon
d'intersection entre le bord d'attaque 24 et la veine supérieure
d'écoulement du flux gazeux.
L'axe longitudinal X-X, l'axe tangentiel Y-Y et l'axe radial Z-Z de la
soufflante ainsi définis forment un trièdre orthonormé direct.
La présente invention s'applique à différents types d'aubes mobiles
d'une turbomachine ; par exemple les aubes mobiles de soufflante, de
compresseur haute pression, c'est-à-dire le compresseur en amont du
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sens de l'écoulement du flux, et de compresseur haute pression, c'est-à-
dire le compresseur en aval dans le sens de l'écoulement du flux.
La figure 1 qui présente une vue partielle de soufflante de turbomachine
5 est purement illustrative, et permet notamment de définir les différents
axes de la turbomachine.
On comprend bien que la description qui suit se transpose également
pour des aubes d'une turbomachine autres que les aubes de la
soufflante, et notamment les aubes de compresseur basse pression
et/ou de compresseur haute pression.
Les figures 2 et 3 sont des exemples de courbes présentant l'évolution
des lois Xg et Yg respectivement sur une partie de la hauteur d'une aube
selon l'invention.
Ces deux courbes présentent l'évolution des lois de répartition
longitudinale Xg et tangentielle Yg définissant le positionnement des
centres de gravité respectifs des sections d'aubes empilées formant
l'aube, par rapport aux axes longitudinal X-X et tangentiel Y-Y. L'axe des
ordonnées indique le ratio h/H, où H est la hauteur totale de l'aube
comme défini précédemment, et h est la hauteur du centre de gravité
considéré, mesuré à partir de la base 10 de l'aube.
Comme représenté sur ces courbes, la présente invention propose un
changement du sens de la pente de ces lois de répartition Xg et Yg dans
la portion de tête de l'aube, c'est-à-dire dans les 10% supérieurs de
l'aube en formant la tête 12.
On observe ainsi un crochet de ces deux lois de répartition localisé pour
des valeurs de hauteur comprises entre 90 et 100% de la hauteur H de
l'aube à partir de sa base.
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Plus généralement, pour chacune des lois de répartition Xg et Yg, il
existe une hauteur comprise entre 90% et 100% de la hauteur H de
l'aube à partir de laquelle ces deux lois de répartition diminuent.
Ces hauteurs sont typiquement comprises entre 90% et 95% de la
hauteur H de l'aube.
La valeur de la hauteur comprise entre 90% et 100% de la hauteur H de
l'aube à partir de laquelle la loi de répartition Xg diminue et la valeur de
la hauteur comprise entre 90% et 100% de la hauteur H de l'aube à
partir de laquelle la loi de répartition Yg diminue peuvent être identiques
ou distinctes.
Les lois de répartition longitudinale Xg et tangentielle Yg définissant le
positionnement des centres de gravité respectifs des sections d'aubes
empilées formant l'aube, par rapport aux axes longitudinal X-X et
tangentiel Y-Y comprennent typiquement un unique changement de sens
de leur pente pour des valeurs de hauteur comprises entre 90 et 100%
de la hauteur H de l'aube à partir de sa base.
L'aube selon l'invention a donc un profil qui, entre 90 et 100% de sa
hauteur à partir de sa base, s'avance en direction du bord d'attaque 24
et vers l'extrados, ce qui correspond donc à un basculement vers l'avant
et vers l'extrados de la portion de tête de l'aube.
Les figures 3 et 4 présentent respectivement un exemple de loi de
répartition longitudinale Xg et tangentielle Yg sur toute la hauteur de
l'aube.
De la même manière que sur les figures 2 et 3, on retrouve un
changement du sens de la pente de ces lois de répartition Xg et Yg dans
la portion de tête de l'aube, c'est-à-dire dans les 10% supérieurs de
l'aube en formant la tête 12. Ce changement du sens de la pente des
ces lois de répartition Xg et Yg dans la portion de tête de l'aube est
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indépendant de la variation des lois Xg et Yg sur le reste de la hauteur
de l'aube.
La figure 6 est un graphique montrant le gain de rendement obtenu par
une aube selon l'invention par rapport à des aubes connues.
Le rendement pris en considération est estimé entre l'amont et l'aval de
l'aube, en tenant compte des pressions et températures amont et aval.
Cette figure représente son évolution sur la moitié supérieure de l'aube,
c'est-à-dire pour des hauteurs allant de H/2 à H, où H est la hauteur
totale de l'aube.
On représente sur cette figure trois courbes 100, 102 et 104, qui
illustrent le rendement obtenu respectivement avec une aube selon
l'invention, avec une aube selon l'état de la technique ne présentant pas
d'inflexion en tête, et avec une aube selon l'état de la technique
présentant une inflexion de sa loi de répartition longitudinale Xg en tête.
Comme on peut l'observer sur ce graphique, la présente invention
permet d'améliorer le rendement dans la partie haute de l'aube. On
observe de plus que la modification de la tête de l'aube entraine une
modification du rendement sur une plage de hauteurs nettement plus
étendue ; en modifiant la géométrie de 10% de l'aube on agit sur le
rendement aérodynamique de plus de 50% de l'aube.
De plus, contrairement à des solutions antérieures, en modifiant à la fois
la loi de répartition longitudinale Xg et la loi de répartition tangentielle
Yg, la présente invention permet d'augmenter la résistance mécanique
de l'aube.
En effet, la mise en crochet de la loi de répartition longitudinale Xg
permet de diminuer les contraintes statiques dans l'aube. De plus, bien
que cette mise en crochet selon Xg entraine une diminution conséquente
de la fréquence d'un mode propre de l'aube, en l'occurrence le mode 4,
cette diminution est compensée par la mise en crochet de la loi de
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répartition tangentielle Yg qui entraine une augmentation sensiblement
équivalente de la fréquence de ce même mode.
L'influence des mises en crochet selon Xg et Yg sur les autres modes
propres est négligeable.
II résulte donc de cette modification des lois de répartition longitudinale
Xg et tangentielle Yg une amélioration des performances mécaniques du
fait de la diminution des contraintes statiques, sans que les
performances dynamiques ne soient affectées.
La présente invention trouve une application particulière sur les aubes
réalisées en matériau métallique, par exemple sur des aubes de
dimensions réduites, typiquement de l'ordre de 40 à 50 pouces, c'est-à-
dire de 101,60 cm à 127 cm.
