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WO 2014/049239
PCT/FR2013/052172
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Carter et roue à aubes de turbomachine
L'invention concerne un ensemble comportant un carter de
turbomachine et une roue à aubes disposée dans celui-ci.
Le carter peut abriter une ou plusieurs roues à aubes, montée(s) à
rotation relative à l'intérieur du carter.
Pour optimiser le rendement de la turbomachine, en général les
aubes sont agencées de telle manière que leurs extrémités passent aussi
près que possible de la paroi interne du carter.
Cela entraîne que parfois, lors des premières heures de
fonctionnement d'une turbomachine de moteur d'avion ou d'un
turbomoteur d'hélicoptère, les extrémités des aubes rentrent en contact
avec la paroi interne du carter, suite notamment à leur dilatation
thermique et à leur allongement sous l'effet des forces centrifuges.
Pour éviter que ces contacts n'endommagent la paroi du carter, de
manière connue en soi la surface interne de carters de turbomachines est
dans certains cas équipée d'une bande de matériau abradable (c'est-à-
dire, prévu pour subir une abrasion), agencée à l'intérieur du carter au
droit de l'extrémité des aubes.
La longueur des aubes est alors déterminée de telle sorte que les
aubes, à plein régime de la turbomachine, entrent en contact avec la
bande de matériau abradable.
Sous l'effet de ces frottements, lors des premières heures de
fonctionnement de la turbomachine, la bande de matériau abradable s'use
jusqu'à atteindre une forme qui permet qu'elle n'entre plus en contact
avec les aubes. La forme ainsi obtenue est celle qui permet un jeu
minimum entre l'extrémité des aubes et le carter.
Cependant, les contacts et frottements qui se produisent entre la
bande de matériau abradable et l'extrémité des aubes entraînent une
usure, des vibrations voire des chocs préjudiciables à la pérennité et au
bon fonctionnement de la turbomachine.
Il est donc nécessaire de minimiser l'importance de ceux-ci.
Dans ce but, la demande internationale W02012/025357 a présenté
un carter comprenant une roue à aubes, et dans lequel l'extrémité des
aubes est aménagée de manière à être sensiblement plus courte sur le
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côté aval que sur le côté amont. Cette solution permet de garantir
l'existence d'un jeu au moins entre la partie aval de l'extrémité des aubes
et le carter.
Cependant, elle nécessite de réduire la surface des aubes et donc le
travail apporté au fluide par celles-ci, diminuant ainsi le rendement de la
roue à aubes.
L'objectif de l'invention est donc de proposer un agencement de
carter et/ou d'aubes qui permette de minimiser le jeu entre les aubes et le
carter, qui limite autant que possible les contacts et frottements entre les
aubes et le carter, et conserve aux aubes une efficacité maximale.
Cet objectif est atteint par un ensemble comportant un carter de
turbomachine et une roue à aubes disposée dans ledit carter, le carter
présentant une paroi interne comportant une bande circonférentielle de
matériau abradable; et dans lequel, en regard des extrémités des aubes,
le carter présente en amont, la bande de matériau abradable, et en aval,
une rainure circonférentielle ; la bande de matériau abradable étant
délimitée en aval par la rainure circonférentielle, et une limite aval de la
rainure circonférentielle étant disposée axialement au droit ou en aval du
bord de fuite des aubes.
L'ensemble carter/roue à aubes défini ci-dessus, qui comporte, au
droit des extrémités des aubes, une bande en matériau abradable du côté
amont, et une rainure circonférentielle du côté aval, présente les
avantages suivants.
La bande de matériau abradable est placée au droit des extrémités
d'aubes, sur une partie amont de celles-ci. Or, c'est au niveau de la partie
amont de l'extrémité des aubes que la réduction du jeu entre l'extrémité
des aubes et le carter est la plus utile.
Par conséquent, c'est dans la partie amont de l'extrémité des aubes
que l'utilisation d'une bande de matériau abradable est la plus justifiée.
Elle permet, dans cette partie, d'obtenir un jeu minimum entre l'extrémité
des aubes et le carter.
Inversement, dans la partie aval de l'extrémité des aubes,
l'existence d'un jeu entre l'extrémité des aubes et le carter présente moins
d'importance. Avantageusement selon l'invention, on privilégie donc dans
cette partie la recherche d'une absence de collisions entre l'extrémité des
aubes et le carter.
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Dans ce but, selon l'invention le carter comporte une rainure
aménagée immédiatement en aval de la bande de matériau abradable. Le
fond de la rainure est donc en creux par rapport à la bande de matériau
abradable. En d'autres termes, la rainure présente un rayon plus grand
que la bande de matériau abradable (plus précisément, que la surface
interne de celle-ci).
Cet écart de rayon entraîne que des aubes présentant un rayon
sensiblement constant du bord d'attaque au bord de fuite, pourront avoir
des extrémités ayant une partie amont très proche de la bande de
matériau abradable, de manière à user cette bande lors de la mise en
oeuvre de la turbomachine, de manière connue en soi, et une partie aval
non ou très peu susceptible d'entrer en contact avec les surfaces de la
rainure et donc le carter.
Pour une efficacité aérodynamique optimale de la roue à aubes, la
limite aval de la rainure circonférentielle peut être située au droit, ou
sensiblement au droit, de la limite aval des extrémités d'aubes.
Selon une variante, pour éviter tout choc entre celles-ci et le carter,
on peut aussi prévoir que la limite aval de la rainure circonférentielle soit
disposée axialement en aval du bord de fuite des aubes.
On dispose alors la limite aval de la rainure circonférentielle de
préférence à une distance axiale, par rapport au bord de fuite des aubes,
comprise entre 5 et 20% de la corde axiale de l'aube prise en sommet
d'aube. Cette distance permet que la rainure circonférentielle présente
une plage de débattement suffisante du sommet de l'aube par rapport à
sa position nominale.
Grâce à l'invention, le carter présente une surface de contact
optimisée, et comporte avantageusement une bande de matériau
abradable d'étendue axiale minimale, ce qui permet de minimiser les
contacts et frottements entre les aubes et le carter.
Les différents perfectionnements suivants peuvent
avantageusement être prévus, seuls ou en combinaison :
- la rainure, hormis une surface de rainure formée par la bande de
matériau abradable, peut présenter une section axiale concave.
- un fond de la rainure peut comprendre une portion cylindrique.
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- la rainure, hormis une surface de rainure formée par la bande de
matériau abradable, peut présenter une section axiale concave en tout
point de l'amont à l'aval.
- la rainure peut être reliée du côté aval à la paroi interne du carter par
un
congé de raccordement concave, notamment ayant une section en arc de
cercle.
- la rainure peut être reliée du côté aval à la paroi interne du carter par
une surface sensiblement tronconique.
- le fond de la rainure peut présenter un rayon inférieur au rayon
maximum de la bande de matériau abradable.
- une surface de rainure peut être formée par la bande de matériau
abradable et être de forme tronconique, l'angle du tronc de cône étant
d'au moins 45 , et de préférence au moins 60 . Par extension, cette
surface de la rainure formée par la bande de matériau abradable peut être
formée dans un plan transverse au carter, et être perpendiculaire à l'axe
du carter.
- la rainure peut être étanche, ou présenter un fond étanche. En d'autres
termes, la rainure n'est pas reliée à des conduits de circulation de gaz ou
de fluide. Elle ne permet pas le prélèvement ou l'apport de gaz, mais sert
uniquement à permettre la libre rotation des extrémités d'aubes en évitant
les chocs entre celles-ci et le carter.
- la bande de matériau abradable recouvre 30% à 70% de l'étendue axiale
des aubes.
L'invention vise en outre un compresseur à flux axial de
turbomachine, comportant un carter ou l'ensemble (carter et roue à
aubes) définis précédemment.
L'invention vise enfin une turbomachine comprenant au moins un
carter 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 comprenant un carter selon l'invention ;
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- la figure 2 est une coupe schématique axiale d'une portion de
compresseur, passant par une aube, dans un premier mode de réalisation
de l'invention ;
- la figure 3 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un
5 deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un
troisième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 5 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un
quatrième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un
cinquième mode de réalisation de l'invention ; et
- la figure 7 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un
sixième mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 représente un compresseur à flux axial de turbomachine
10. Celui-ci comprend un carter 12, à l'intérieur duquel 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 axisyrnétrique. 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 délimitant une veine de
passage de gaz. Cette paroi interne forme une surface de révolution, qui a
une forme générale sensiblement conique, et dans le cas présent
cylindrique, au niveau (axialernent) de la roue à aubes 14.
L'agencement des aubes 18 et de la paroi interne 20 du carter 12
selon l'invention, dans différents modes de réalisation, est présenté dans
les figures 2 à 7.
Dans les différentes figures, les éléments identiques ou similaires
comportent la même référence numérique. En outre, les différents carters
présentés respectivement par les figures 3 à 7 sont identiques à celui
présenté par la figure 2, à l'exception des différences signalées dans le
texte.
Sur chacune des figures 2 à 7, le côté amont du carter 12 (par
rapport au sens prévu de circulation des gaz dans le carter) est disposé
sur le côté gauche de la figure.
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Chacune des aubes 18 présente un bord d'attaque 18A, un bord de
fuite 18B, et une extrémité 19.
Au niveau (axialement) de la roue à aubes 14, la partie radialement
interne du carter 12 est constituée principalement de deux pièces : un
manchon sensiblement cylindrique 22 en métal ou alliage métallique
(alliage de titane, aluminium, acier, etc...), et une bande 24 en matériau
abradable, différent du matériau de la pièce 22, par exemple un alliage à
base Al-Si.
En amont et en aval des aubes 18, le manchon 22 présente une
surface radialement intérieure 23 sensiblement cylindrique. Le rayon R de
celle-ci est légèrement supérieur au rayon maximal de la roue à aubes 14,
mesuré à l'extrémité des aubes 18. Le manchon 22 ne comporte aucun
canal ou passage interne servant à assurer une circulation de gaz au droit
de la roue à aubes 14.
En regard ou au droit des extrémités des aubes 18, le manchon 22
comporte un logement 26. Celui-ci a la forme d'une rainure
circonférentielle circulaire, ayant une forme de révolution autour de l'axe
A, et formée en creux dans le manchon 22. Ce logement 26 présente une
surface de fond 27 qui est de forme générale sensiblement cylindrique.
La bande 24, qui est également en forme de manchon, est disposée
dans le logement 26 et occupe la partie amont de celui-ci.
Par suite, en regard des extrémités des aubes 18, le carter
présente en amont, la bande 24 de matériau abradable, et en aval, une
rainure circonférentielle 30, qui est simplement la partie aval du logement
26.
La bande 24 présente une surface radialement intérieure 25.
L'épaisseur (suivant la direction radiale) du manchon 24 est déterminée de
telle manière que lorsque le manchon 24 est disposé dans le logement 26,
les surfaces intérieures 23 du manchon 22 et 25 de la bande 24 soient
dans la continuité l'une de l'autre, et présentent un même rayon R (figure
2). La différence de rayon entre la surface 23 (intérieur du manchon 22)
et la surface de fond 27 du logement 26, au niveau de la bande 24, est
ainsi égale à l'épaisseur de la bande 24.
La limite amont de la surface 25 de la bande 24 est disposée
axialement sensiblement au droit du bord d'attaque 18A des aubes 18,
voire légèrement en amont de celui-ci.
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Notons que dans le cadre de l'invention, la surface 25 de la bande
24 peut présenter une discontinuité (de position et/ou de tangence) par
rapport à la surface 23. Par exemple, la bande 24 pourrait présenter un
rayon intérieur légèrement inférieur, ou légèrement supérieur, au rayon R
de la surface 23 du manchon 22.
La limite aval de la bande 24 est située environ à mi-distance
(suivant l'axe A) entre le bord d'attaque 18A et le bord de fuite 18B de
l'aube 18. De manière générale, il est préférable que la bande 24 en
matériau abradable recouvre au moins 30% de l'étendue axiale des aubes.
D'autre part, il est peu utile qu'elle occupe plus de 70% de l'étendue
axiale des aubes.
Immédiatement en aval de la bande 24 se trouve la rainure 30.
Celle-ci est délimitée en amont par la bande 24, et au fond et du côté aval
par le manchon 22.
La rainure 30 comporte généralement, de l'amont vers l'aval, trois
parties successives : Une partie amont 32 délimitée par la bande 24, un
fond 34, et une partie aval 36.
La partie amont est formée par la surface aval de la bande 24.
Inversement, le fond 34 et la partie aval 36 ne sont pas formés en
matériau abradable.
Ils sont formés directement dans le manchon 22.
Dans les modes de réalisation des figures 2 à 6, cette surface est
disposée dans un plan transverse à l'axe A du carter 12. Par suite, la
surface amont 32 forme à l'extrémité amont de la rainure 30 une marche
d'escalier 'sortante', au niveau de laquelle le diamètre de passage du
fluide augmente brutalement.
La surface de fond 34 est une partie de la surface de fond du
logement 26. Dans les modes de réalisation des figures 2 à 4 et 7, le
logement 26 présente une surface de fond cylindrique et par suite dans
ces modes de réalisation, les surfaces de fond 27 sont cylindriques.
Enfin, la surface aval 36 de la rainure 30 peut être, comme la
surface 32, disposée dans un plan transverse à l'axe A du carter 12 (mode
de réalisation de la figure 2). Par suite, la surface aval 36 de la rainure 30
forme à l'extrémité aval de la rainure 30 une marche d'escalier 'rentrante',
au niveau de laquelle le diamètre de passage du fluide diminue
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brutalement pour redevenir égal à celui de la surface intérieure de la pièce
22.
La limite aval de la surface 36 de la rainure 30 est disposée
axialement sensiblement au droit du bord de fuite 18B des aubes 18, voire
légèrement en aval de celui-ci.
La rainure 30 présente donc une section axiale concave.
Les figures 3 à 7 présentent différents modes de réalisation de la
rainure 30.
Les modes de réalisation des figures 3 et 4 diffèrent de celui de la
figure 2 par l'agencement de la surface aval 36 de la rainure 30 :
- Sur la figure 3, la surface aval 36 est de forme tronconique, d'axe A.
Ainsi, la rainure 30 est reliée du côté aval à la paroi interne 20 du carter
par une surface sensiblement tronconique, formant en section axiale une
pente constante reliant le fond 34 à la paroi 20 du carter. Cette forme
avantageusement limite la formation de turbulences au niveau de la partie
aval de l'extrémité des aubes 18.
- Sur la figure 4, la surface aval 36 est un congé de raccordement
concave, ayant une section en arc de cercle. La limite amont de ce congé
de raccordement est en continuité de position et de tangence avec le fond
34 de la rainure 30.
En outre dans ces deux modes de réalisation, l'étendue axiale de la
surface de fond 34 est plus faible que dans le premier mode de
réalisation, et inversement l'étendue axiale de la surface aval 36 est
accrue. En effet dans ces modes de réalisation, la surface 34 s'achève en
amont du bord de fuite des aubes 18, et non au droit de celui-ci. La
surface aval 36 de la rainure 30 s'étend donc depuis la limite aval de la
surface de fond 34 en amont du bord de fuite des aubes 18, jusqu'au
niveau (axialement) de ce bord de fuite ou en aval de celui-ci.
D'autre part, dans les modes de réalisation des figures 3, 4 et 6, la
limite aval de la rainure circonférentielle est disposée non pas au droit du
bord de fuite 18B des aubes, mais en aval de celui-ci.
Dans ces différents modes de réalisation, la limite aval de la rainure
circonférentielle est ainsi disposée à une distance axiale suivant l'axe A,
comptée à partir du bord de fuite 186 des aubes, comprise entre 5 et 20%
de la corde axiale des aubes prise en sommet d'aube. La valeur de la
µcorde axiale des aubes' correspond à la distance suivant l'axe A, telle que
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représentée sur les figures, entre le bord d'attaque 18A et le bord de fuite
18B des aubes.
Le mode de réalisation de la figure 5 est voisin de celui de la figure
4. La seule différence tient à la forme du fond du logement 26.
En effet, contrairement aux modes de réalisation des figures 2 à 4,
dans le mode de réalisation de la figure 5, le fond du logement 26 est
divisé en deux parties : une partie amont qui reçoit la bande 24, et une
partie aval qui forme la rainure 30. Ces deux parties sont toutes deux de
forme cylindrique ; la partie amont a un diamètre intérieur plus élevé que
la partie aval, et par suite, ces deux parties sont séparées par un
épaulement 38.
Cet épaulement 38 sert à assurer le maintien en position de la
bande 34, notamment suivant la direction axiale.
La figure 6 présente un mode de réalisation dans lequel les surfaces
de fond 34 et aval 36 sont continues ; aucune limite entre celles-ci n'est
perceptible.
La réunion des surfaces 34 et 36 constitue une surface 40.
Cette surface 40 présente une section axiale strictement concave
(localement) en tout point de l'amont à l'aval et par suite, cette section de
surface ne comporte pas de segment de droite. Sa forme est une forme
quelconque, qui idéalement est déterminée à l'usage ou par calcul de
manière à assurer que dans tous les modes de fonctionnement de la
turbomachine, les surfaces 34 et 36 (et donc la surface 40) restent sans
contact avec les aubes 18.
Enfin, la figure 7 présente un mode de réalisation qui diffère de
celui présenté par la figure 3 par la forme de la surface amont 32 de la
rainure 30.
En effet, au lieu que cette surface amont soit perpendiculaire à
l'axe A du carter, la surface amont 32 est tronconique, d'axe A. Elle forme
avec ce dernier un angle au sommet a de 45 .
Pour éviter de surdimensionner inutilement la bande de matériau
abradable 24, l'angle a est de préférence au moins égal à 45 .
Dans les différents modes de réalisation présentés, l'extrémité 19
des aubes 18 est située radialement strictement à l'intérieur de la paroi
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20. De plus, la longueur des aubes (mesurée suivant la direction radiale)
est constante.
Aucune de ces deux caractéristiques n'est indispensable à
l'invention.
5 Dans le
cadre de l'invention, les aubes peuvent avoir une longueur
(mesurée suivant la direction radiale) qui varie en fonction de la position
considérée sur l'axe de la roue à aubes. Les aubes peuvent ainsi présenter
un rayon total (rayon hors tout des aubes montées sur la roue à aubes)
axialement variable.
10 Dans le
cadre de l'invention, les aubes peuvent par ailleurs
présenter un rayon total éventuellement supérieur ou du moins localement
supérieur (c'est-à-dire seulement sur un certain intervalle axial suivant
l'axe de la roue à aubes) au rayon de la surface interne du carter
immédiatement en amont ou en aval de la roue à aubes. L'extrémité des
aubes pénètre alors au moins localement à l'intérieur de la paroi du carter.
Les aubes peuvent d'autre part présenter un jeu radial non
uniforme avec le carter, comme le montrent les modes de réalisation
présentés précédemment.
Par conséquent, le rayon total des aubes peut être inférieur ou
supérieur au rayon intérieur (R) de la surface de carter immédiatement en
amont ou en aval des aubes. Le rayon total des aubes peut aussi varier
entre l'une et l'autre de ces configurations en fonction de la position sur
l'axe de la roue à aubes.
