Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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WO 2015/092197
PCT/FR2014/053163
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Compresseur de turbomachine, en particulier de turbopropulseur ou
de turboréacteur d'avion
La présente invention concerne un compresseur de
turbomachine, en particulier un compresseur haute-pression de
turbopropulseur ou de turboréacteur d'avion.
De façon connue, un compresseur de turbomachine comprend
une pluralité d'étages de compression comportant chacun une rangée
annulaire d'aubes mobiles montée sur un arbre de rotor et une rangée
annulaire d'aubes de stator à calage variable montées à leurs extrémités
radialement externes sur un carter externe sensiblement cylindrique.
Le réglage du calage angulaire des aubes de stator dans une
turbomachine est destiné à optimiser le rendement de cette turbomachine
et à réduire sa consommation de carburant dans les différentes phases de
vol.
Les aubes de stator à calage variable comprennent chacune à
leur extrémité radialement externe un pivot radial qui est centré et guidé en
rotation dans un orifice du carter externe. Chaque pivot d'aube est relié par
une biellette à un anneau de commande qui s'étend autour du carter
externe du compresseur et qui est déplaçable en rotation autour de l'axe
longitudinal du compresseur par des moyens d'actionnement pour
transmettre aux aubes un mouvement de rotation autour des axes de leurs
pivots.
Chaque biellette est fixée au pivot d'aube et comporte un pion
cylindrique engagé dans un trou cylindrique de l'anneau de commande.
Lors de la rotation de l'anneau de commande autour de son axe,
celui-ci entraîne le pivotement des biellettes et des aubes autour de l'axe
du pivot des aubes. La plage angulaire totale de rotation des biellettes est
classiquement de l'ordre de 50 à 900. L'anneau est également déplaçable
axialement de façon à accompagner la trajectoire des pions. Toutes les
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aubes se trouvent alors dans la même position angulaire, pour une position
angulaire donnée de l'anneau de commande.
Or, en fonction du régime de la turbomachine, il existe un besoin
de pouvoir adapter le calage des aubes en fonction notamment de leur
position azimutale, c'est-à-dire de la position circonférentielle de l'aube de
stator dans l'étage correspondant. Les angles de calage permettant de
maximiser le rendement de la turbomachine peuvent donc être différents en
en fonction des positions azimutales des aubes de stator d'un même étage.
En effet, le flux de gaz s'écoulant dans la veine traversant le
compresseur haute-pression n'est pas homogène sur toute sa
circonférence, ce flux pouvant comporter des poches générant des pertes
de performance. Par ailleurs, lorsque la turbomachine fonctionne à haut
régime, des efforts et des couples importants sont exercés sur les aubes,
ce qui a tendance à déformer légèrement l'anneau de commande.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
efficace et économique à ce problème, tout en évitant un hyperstatisme du
système, ce qui impose d'avoir des biellettes ayant toutes sensiblement la
même longueur.
A cet effet, elle propose un compresseur de turbomachine, en
particulier de turbopropulseur ou de turboréacteur d'avion, comprenant un
stator comportant un carter annulaire et au moins une rangée annulaire
d'aubes à calage variable, chaque aube comportant une extrémité
radialement externe comprenant un pivot monté dans un orifice du carter et
relié par un organe de liaison à un anneau de commande apte à pivoter
axialement par rapport au carter, l'organe de liaison comportant une
première extrémité fixée au pivot de l'aube et une seconde extrémité
comportant un pion engagé dans un trou de l'anneau de commande,
caractérisé en ce que l'un au moins des trous de l'anneau de commande,
servant à l'engagement des pions des organes de liaison, est de forme
oblongue et s'étend dans la direction circonférentielle de façon à autoriser
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le déplacement du pion dans ledit trou oblong, lors de la rotation de
l'anneau de commande.
De cette manière, en fonction de la forme du trou, il est possible
d'adapter l'angle de calage de chaque aube, de façon individuelle ou par
groupes d'aubes, tout en conservant des organes de liaison (par exemple
des biellettes) ayant la même longueur. Cette adaptation permet de
s'adapter à l'hétérogénéité du flux de gaz et de corriger d'éventuelles
déformations à haut régime moteur.
Le trou oblong s'étendant dans la direction circonférentielle ne
s'étend pas nécessairement uniquement dans la direction circonférentielle,
c'est-à-dire dans un plan radial perpendiculaire à l'axe de l'anneau de
commande. En effet, le trou oblong peut s'étendre à la fois dans la direction
axiale et dans la direction circonférentielle.
Selon une caractéristique de l'invention, les pions sont
cylindriques.
En outre, l'un au moins des trous de l'anneau de commande,
servant à l'engagement des pions des organes de liaison, peut être de
forme telle qu'il bloque le déplacement du pion dans ledit trou.
Dans ce cas, l'anneau de commande peut comprendre au moins
un trou cylindrique, dans lequel est engagé un pion cylindrique d'un organe
de liaison, les diamètres du pion et du trou cylindrique étant sensiblement
identiques, et au moins un trou oblong s'étendant circonférentiellement,
dans lequel est engagé un autre pion cylindrique d'un autre organe de
liaison.
Selon une première forme de réalisation de l'invention, ledit trou
oblong de l'anneau de commande comporte une première extrémité située
du côté d'un premier bord latéral de l'anneau de commande, une seconde
extrémité située du côté d'un second bord latéral de l'anneau de
commande, les deux extrémités étant reliées par une zone de liaison
courbe présentant un point d'inflexion.
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Selon une deuxième forme de réalisation de l'invention, ledit trou
oblong de l'anneau de commande s'étend uniquement dans la direction
circonférentielle.
Selon une troisième forme de réalisation de l'invention, ledit trou
oblong de l'anneau de commande s'étend de façon oblique par rapport à la
direction axiale et par rapport à la direction circonférentielle.
Selon une quatrième forme de réalisation de l'invention, ledit trou
oblong de l'anneau de commande a une forme d'arc de cercle.
Selon une cinquième forme de réalisation de l'invention, ledit
trou oblong de l'anneau de commande comporte une première extrémité
s'étendant uniquement circonférentiellement et située du côté d'un bord
latéral de l'anneau de commande, une seconde extrémité s'étendant
uniquement circonférentiellement et étant située du côté de l'autre bord
latéral de l'anneau de commande, lesdites extrémités étant reliées par une
zone de liaison s'étendant de façon oblique par rapport à la direction
circonférentielle et par rapport à la direction axiale.
L'invention concerne en outre une turbomachine, telle par
exemple qu'un turbopropulseur ou un turboréacteur d'avion, comportant au
moins un compresseur du type précité.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails,
caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la
description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux
dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe
axiale d'un compresseur haute-pression d'un turboréacteur équipé d'un
système de commande d'aubes à calage variable selon la technique
antérieure,
- la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale à plus
grande échelle du système de calage angulaire d'un étage du compresseur
de la figure 1,
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- la figure 3 est une vue en perspective d'une partie d'un
anneau de commande,
- la figure 4 est une vue schématique, de dessus, d'une zone
de l'anneau de commande illustré à la figure 3,
- les figures 5 et 6 sont des vues correspondant respectivement
aux figures 3 et 4 et illustrant une première forme de réalisation de
l'invention,
- la figure 7 est une vue correspondant à la figure 4 et illustrant
une deuxième forme de réalisation de l'invention,
- la figure 8 est une vue correspondant à la figure 4 et illustrant
une troisième forme de réalisation de l'invention,
- la figure 9 est une vue correspondant à la figure 4 et illustrant
une quatrième forme de réalisation de l'invention,
- la figure 10 est un diagramme représentant l'évolution de
l'angle de calage des aubes de stator en fonction de la position angulaire
de l'anneau de commande, pour chacune des formes de réalisation des
figures 7, 8 et 9.
- la figure 11 est une vue correspondant à la figure 4 et
illustrant une cinquième forme de réalisation de l'invention,
- la figure 12 est une vue correspondant à la figure 4 et
illustrant une sixième forme de réalisation de l'invention,
- la figure 13 est une vue correspondant à la figure 4 et
illustrant une septième forme de réalisation de l'invention.
On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une demi-
vue schématique de la partie amont d'un compresseur haute-pression 10
selon la technique antérieure, en coupe selon un plan passant par l'axe de
rotation 12 de la turbomachine. Le compresseur haute-pression 10
comprend un rotor formé de disques 14, 16, 18, 20 assemblés axialement
les uns aux autres, le rotor étant en appui sur un palier 22 par
l'intermédiaire d'un tourillon 24.
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Chaque disque est agencé en aval d'une rangée annulaire
d'aubes de stator 26 à calage variable. Chaque aube de stator comprend à
ses extrémités radialement interne et externe des pivots cylindriques 28, 30
coaxiaux. Le pivot cylindrique interne 28 s'étend vers l'intérieur depuis
l'aube de stator 26 et est centré et guidé en rotation dans un logement
cylindrique d'un élément annulaire du stator, et le pivot cylindrique externe
30 s'étend radialement vers l'extérieur et est centré et guidé en rotation
dans une cheminée cylindrique 32 d'un carter externe 34 sensiblement
cylindrique du compresseur haute-pression 10.
Le réglage du calage angulaire des aubes de stator 26 d'un
étage est assuré à l'aide de biellettes 36 qui sont entraînées en rotation par
un anneau de commande 38 monté pivotant par rapport au carter 34 autour
de l'axe 12. Le débattement total de l'anneau de commande est par
exemple compris entre 5 et 20 . Un vérin hydraulique 40 permet le
déplacement simultané en rotation de plusieurs anneaux de commande 38.
L'anneau 38 est par exemple formé de deux parties 39 assemblées l'une à
l'autre par l'intermédiaire de pontets (non représentés) fixés aux extrémités
desdites parties 39.
Les biellettes 36 sont fixées par une extrémité sur les pivots
radiaux 30 des aubes 26 à calage variable, ces pivots 30 étant guidés en
rotation dans des douilles 42 montés dans les cheminées 32 du carter 34
(figure 2). L'extrémité de la biellette fixée au pivot d'aube 30 est maintenue
radialement sur un rebord 44 de la douille 42 par un écrou 46 vissé sur
l'extrémité du pivot 30. L'autre extrémité de la biellette 36 comprend un
orifice dans lequel est guidé en rotation un pion cylindrique radial 48 monté
dans un trou cylindrique 52 de l'anneau de commande 38. Les pions 48
sont maintenus en position par des pattes coudées 50 fixées sur l'anneau
de commande 38. L'anneau de commande 38 est également déplaçable
axialement en translation, de façon à accompagner la trajectoire circulaire
des pions 48.
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Comme cela est mieux visible à la figure 3, les parties 39 de
l'anneau de commande 38 comportent d'autres trous 54, 56 servant
respectivement à la fixation des organes de liaison permettant de relier les
extrémités des deux parties 39 de l'organe de commande 38 entre elles ou
servant à la fixation de patins de centrage venant s'appliquer sur une piste
ménagée sur la surface externe du carter.
Lors de la rotation de l'anneau de commande 38 autour de son
axe 12, celui-ci entraîne le pivotement des biellettes 36 et des aubes 26
autour de l'axe des pivots 28, 30 des aubes 26. Toutes les aubes 26 se
trouvent alors dans une même position angulaire, pour une position
angulaire donnée de l'anneau de commande 38, les biellettes 36 ayant
toutes la même longueur.
Or, comme indiqué précédemment, en fonction du régime de la
turbomachine, il existe un besoin de pouvoir adapter le calage des aubes
26 en fonction notamment de leur position azimutale, c'est-à-dire de la
position circonférentielle de l'aube 26 de stator dans l'étage correspondant.
L'invention répond à ce besoin en proposant un anneau de
commande 38 permettant d'adapter le calage angulaire des aubes 26 de
façon individuelle ou par groupe d'aubes 26, en fonction des positions
azimutales des aubes 26 concernées ou des groupes d'aubes 26
concernés.
Les figures 5 et 6 illustrent une première forme de réalisation de
l'invention dans laquelle une partie des trous dans lesquels sont engagés
les pions cylindriques 48 ont une forme oblongue (trous 58), une autre
partie desdits trous étant cylindriques (trous 52) et de diamètre
sensiblement identique à celui des pions 48 correspondants.
En particulier, les trous oblongs 58 comportent chacun une
première extrémité 60 située du côté d'un premier bord latéral ou bord
amont 62 de l'anneau de commande 38, une seconde extrémité 64 située
du côté d'un second bord latéral ou bord aval 66 de l'anneau de commande
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38, les deux extrémités 60, 64 étant reliées par une zone de liaison courbe
68 présentant un point d'inflexion.
Ainsi, en fonctionnement, l'angle de calage des aubes 26 ne
varie pas de la même manière, en fonction de la position angulaire de
l'anneau de commande 38, pour les aubes 26 associées aux trous
cylindriques 52 ou pour les aubes 26 associées aux trous oblongs 58. En
fonction de la forme des trous 58, il est donc possible d'adapter la variation
de l'angle de calage en fonction de la position angulaire de l'anneau de
commande 38 (également appelée ci-après loi de calage) pour chacune
des aubes 26.
Dans ce cas, tous les trous oblongs 58 ont sensiblement la
même forme, les autres trous 52 étant cylindriques. Un tel anneau de
commande 38 possède donc deux groupes d'aubes 26, situées dans des
zones azimutales différentes de la turbomachine, et suivant des lois de
calage différentes d'un groupe à l'autre.
On notera que le centre des trous 52 est aligné
circonférentiellement avec l'une des extrémités des trous oblongs 58.
La figure 7 illustre une deuxième forme de réalisation de
l'invention dans laquelle chaque trou oblong 58 de l'anneau de commande
38 s'étend uniquement dans la direction circonférentielle.
La figure 8 représente une troisième forme de réalisation de
l'invention dans laquelle chaque trou oblong 58 de l'anneau de commande
38 s'étend de façon oblique par rapport à la direction axiale A et par rapport
à la direction circonférentielle C. Plus particulièrement, chaque trou oblong
58 s'étend de façon rectiligne, d'amont en aval (c'est-à-dire de gauche à
droite à la figure 8), dans un premier sens de rotation de l'anneau de
commande indiqué par la flèche Si, qui est un sens d'ouverture des aubes
26.
La figure 9 représente une quatrième forme de réalisation de
l'invention dans laquelle chaque trou oblong 58 de l'anneau de commande
38 a une forme en arc de cercle ou approchant un arc de cercle, plus
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particulièrement en quart de cercle. Une extrémité 70 de chaque trou
oblong 58 est dirigé axialement vers l'amont, l'autre extrémité 72 étant
dirigée circonférentiellement dans un sens S2 opposé au sens Si précité,
le sens S2 étant un sens de fermeture des aubes 26.
La figure 10 illustre la loi de calage d'aubes pour des aubes 26
associées respectivement à un trou cylindrique 52 (courbe Cl), à un trou
oblong 58 de la figure 7 (courbe 02), à un trou oblong 58 de la figure 8
(courbe 03) et à un trou oblong 58 de la figure 9 (courbe 04). Les lois de
calage sont les courbes représentatives de l'évolution de la position
angulaire de l'aube 26 (aaube) en fonction de la position angulaire de
l'anneau de commande 38 (aanneau).
On remarque que ces lois de calage sont différentes les unes
des autres, en particulier pour les angles de l'anneau de commande 38
correspondant à une ouverture des aubes 26 associées. L'angle aaube
correspond à l'angle des biellettes 36 par rapport à l'axe 12 de la
turbomachine, en définissant une droite qui passe par le centre du pivot 30
de l'aube 26 et le centre du pion 48 qui est inséré dans l'anneau 38. Par
définition, la position d'ouverture correspond à un angle aaube négatif par
rapport à l'axe 12 de la turbomachine, en considérant que le sens positif est
le sens trigonométrique, et la position de fermeture correspond à un angle
aaube positif par rapport à l'axe 12 de la turbomachine. L'angle aaube=0
correspond à la position où les biellettes 36 sont alignées avec l'axe 12 de
la turbomachine.
Si l'on cherche à modifier les lois de calage pour les angles
correspondant à une fermeture des aubes 26, il est possible d'utiliser des
trous oblongs 58 dont les formes générales sont les symétriques/axe de la
turbomachine de celles décrites précédemment. Dans ce cas toutefois, il
convient d'aligner le centre des trous 52 avec l'autre extrémité des trous
oblongs 58.
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En fonction de la forme choisie du trou 52, 58 (cylindrique,
rectiligne oblique, arc de cercle, etc...), il est ainsi possible d'adapter
aux
besoins la loi de calage des aubes 26 associées.
La figure 11 illustre une cinquième forme de réalisation de
l'invention dans laquelle chaque trou oblong 58 de l'anneau de commande
38 a une forme symétrique à la forme des trous oblongs 58 de la figure 6,
par rapport à un plan radial passant par la zone axialement médiane de
l'anneau de commande 38.
La figure 12 illustre une sixième forme de réalisation de
l'invention dans laquelle chaque trou oblong 58 de l'anneau de commande
38 comporte une première extrémité 74 s'étendant uniquement
circonférentiellement et située du côté du bord amont 62 de l'anneau de
commande, une seconde extrémité 76 s'étendant uniquement
circonférentiellement et située du côté du bord aval 66 de l'anneau de
commande 38, lesdites extrémités 74, 76 étant reliées par une zone de
liaison 78 s'étendant de façon oblique par rapport à la direction
circonférentielle C et par rapport à la direction axiale A.
La figure 13 illustre une septième forme de réalisation de
l'invention dans laquelle chaque trou oblong 58 de l'anneau de commande
38 a une forme symétrique à la forme des trous oblongs 58 de la figure 8,
par rapport à un plan radial passant par la zone axialement médiane de
l'anneau de commande 38.
Bien entendu, l'anneau de commande 38 peut comporter au
moins deux types de trou oblongs 58 parmi ceux décrits précédemment.
D'autres formes de trous oblongs 58 peuvent également être utilisées, pour
autant que ces trous oblongs 58 s'étendent notamment dans la direction
circonférentielle C.
