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WO 2021/224558 PCT/FR2021/050704
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DESCRIPTION
TITRE : Compresseur de turbomachine comportant une paroi fixe pourvue d'un
traitement de forme
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un élément de stator d'une turbomachine
comportant des aubes fixes à calage variable équipant un compresseur de cette
turbomachine, ce compresseur pouvant être axial ou centrifuge, l'invention
s'appliquant
aussi bien à une turbomachine de type moteur d'aéronef qu'à une turbomachine
de type
turbine d'hélicoptère.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
D'une manière générale, un compresseur de turbomachine comporte un
rotor tournant autour d'un axe principal, qui porte plusieurs étages de pales
mobiles
espacés les uns des autres le long de cet axe, et un carter fixe de révolution
entourant
l'ensemble qui est traversé d'amont en aval par un flux d'air lorsque
l'ensemble est en
service. L'ensemble est traversé par un flux d'air circulant dans un espace
annulaire
délimité intérieurement par le rotor et extérieurement par le carter.
Entre deux étages mobiles consécutifs est interposé un étage de pales
fixes, dit redresseur, permettant de canaliser l'air longitudinalement pour le
dévriller
avant qu'il n'entre dans l'étage mobile suivant. Un tel redresseur se présente
sous forme
d'une roue aubagée fixe portée par le carter qui entoure localement le rotor.
Les pales d'un ou plusieurs de ces étages fixes sont avantageusement à
calage variable, pour que leur position angulaire autour d'un axe radial ou
incliné puisse
être ajustée afin de l'adapter aux conditions de fonctionnement de la
turbomachine qui
fluctuent durant son utilisation.
Ces pales fixes à calage variable sont pilotées par des éléments de
commande ajustant dynamiquement leur calage. D'une manière générale, elles
permettent d'adapter l'écoulement fluide avant admission dans l'étage mobile
qui les suit
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immédiatement, pour étendre la gamme des conditions de fonctionnement dans
laquelle
le compresseur peut être utilisé sans risque de décrochage aérodynamique.
En cas de décrochage aérodynamique, un bouchon de fluide se forme,
appelé pompage, qui s'oppose à la circulation d'air dans le compresseur. Une
telle
situation peut conduire à la rupture d'aubes du compresseur, c'est-à-dire à
détériorer
voire détruire le compresseur. A cet effet, des vannes de décharge peuvent
être prévues
pour s'ouvrir afin de décomprimer l'air présent dans le compresseur, dans
certaines
situations, pour éviter l'établissement d'un régime de pompage, c'est-à-dire
de
décrochage aérodynamique.
Néanmoins, le décrochage aérodynamique constitue un facteur
déterminant qui limite l'étendue de la plage des conditions d'utilisation du
compresseur,
de sorte qu'il constitue un élément important dans la conception et le
dimensionnement
d'un compresseur.
Le but de l'invention est d'apporter une solution permettant de limiter
le risque de décrochage aérodynamique dans un compresseur comportant un stator
portant des pales à calage variable.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention a pour objet un compresseur comprenant un
carter fixe portant des aubes fixes à calage variable s'étendant chacune
radialement
depuis ce carter fixe jusqu'à un moyeu rotatif entouré par ce carter fixe,
chaque aube à
calage variable comprenant une pale ayant une base espacée par un jeu radial
d'une
paroi fixe du carter, et dans lequel la paroi fixe du carter comporte au droit
des bases des
pales un traitement de forme agencé pour canaliser une fuite d'air traversant
le jeu.
Avec cette solution, le flux d'air traversant les jeux en base de pale est
redressé vers la direction axiale, de sorte que le dévrillage du flux est plus
efficacement
réalisé, ce qui limite le risque de décrochage aérodynamique du compresseur.
Ceci
permet par conséquent d'étendre la plage des conditions de fonctionnement où
le
compresseur peut être utilisé, c'est-à-dire l'opérabilité du compresseur.
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L'invention concerne également un compresseur ainsi défini, dans
lequel chaque pale comporte un sommet espacé par un autre jeu radial d'une
paroi
rotative du moyeu rotatif, et dans lequel la paroi rotative comporte au droit
des sommets
des pales un traitement de forme agencé pour canaliser une fuite d'air
traversant cet
autre jeu.
L'invention concerne également un compresseur ainsi défini, dans
lequel la paroi fixe comporte un traitement de forme comprenant des rainures,
ces
rainures étant ouvertes vers les bases de pales sur toute leurs longueurs.
L'invention concerne également un compresseur ainsi défini, dans
lequel la paroi rotative comporte un traitement de forme comprenant des
rainures, ces
rainures étant ouvertes vers les sommets de pales sur toute leurs longueurs.
L'invention concerne également une turbomachine comprenant un
compresseur ainsi défini.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Fig. 1 est une vue schématique en coupe d'une portion de compresseur
selon l'invention ;
Fig. 2 est une vue schématique d'une aube fixe à calage variable d'un
compresseur selon l'invention ;
Fig. 3 est une vue schématique montrant des rainures axiales formées
sur une paroi fixe du compresseur selon l'invention ;
Fig. 4 est une vue schématique montrant des rainures circonférentielles
formées sur une paroi rotative du compresseur selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE L'INVENTION
L'invention est basée sur le constat selon la présence de flux de fuite
dans le compresseur provoque un risque de décrochage aérodynamique, de sorte
que la
diminution de certains débits de fuite permet de limiter le risque de
décrochage
aérodynamique, c'est-à-dire d'augmenter l'étendue de la plage des conditions
d'utilisation du compresseur.
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Plus concrètement, l'invention permet de réduire le risque de
décrochage aérodynamique en limitant les flux de fuite qui existent au niveau
du sommet
et/ou de la base des pales fixes à calage variable du compresseur.
Sur la figure 1, une portion 1 de compresseur de turbomachine est
traversée par un fluide s'écoulant selon un axe longitudinal AX de la
turbomachine depuis
l'amont AM vers l'aval AV. Cette portion de compresseur 1 est ici délimitée
extérieurement par une paroi fixe 2 d'un carter fixe 3 généralement de
révolution, et
intérieurement par une paroi rotative 4 d'un moyeu 6 de rotor, cette paroi
interne étant
généralement de révolution et coaxiale avec l'axe longitudinal AX.
Cette portion de compresseur 1 comporte ici un étage rotatif 7, suivi
immédiatement à son aval AV d'un étage fixe 8. L'étage rotatif comprend des
aubes
rotatives portées par le moyeu tournant autour de l'axe AX, l'une de ces aubes
rotatives
est visible sur la figure 1 où elle est repérée par 9. L'étage fixe 8 porte
des aubes fixes,
l'une de ces aubes fixes est visible sur la figure où elle est repérée par 11.
Chaque aube fixe 11 de l'étage 8 est une aube à calage variable,
comprenant une pale 12 portée par un pied 13 qui est maintenu par le carter 3,
en étant
apte à tourner autour d'un axe radial AR pouvant être incliné ou oblique par
rapport à
l'axe AX. La pale 12 comporte une base 14 située en vis-à-vis de la paroi fixe
2, prolongée
par un corps de pale 16 terminé par un sommet 17 situé en vis-à-vis de la
paroi rotative 4,
c'est-à-dire la paroi du moyeu rotatif 6.
Comme visible sur la figure 2, il existe d'une part un premier jeu radial .11
entre la base 14 et la paroi fixe 2, et d'une manière analogue il existe un
second jeu radial
J2 entre le sommet 17 qui est fixe et la paroi rotative 4.
Ces jeux résultent de contraintes de montage et de dilatations
thermiques intervenant dans la turbomachine en service, de sorte qu'il n'est
pas possible
de les supprimer. En fonctionnement, de l'air à redresser par l'étage fixe 8
fuit en passant
à travers l'interstice formé par le premier jeu J1 et à travers l'interstice
formé par le
second jeu J2. Cet air circule depuis le côté intrados de l'aube fixe à calage
variable vers le
côté extrados de celle-ci, en longeant la paroi fixe 2 et la paroi rotative 4.
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D'une manière générale, ces flux de fuite engendrent une déviation de
l'écoulement fluide traversant l'étage fixe, qui pénalise l'effet de
dévrillage de cet étage
fixe. Concrètement, le fait que le fluide n'est pas suffisamment dévrillé se
traduit par un
risque de décrochage aérodynamique du compresseur.
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Autrement dit, ces fuites limitent l'opérabilité du compresseur c'est-à-
dire l'étendue de la gamme des conditions de fonctionnement dans laquelle le
compresseur peut être utilisé sans risque de décrochage aérodynamique.
Selon l'invention, la paroi fixe 2 du carter comporte un traitement de
forme, repéré par 18 sur la figure 2, dans la région de l'aube 11, destiné à
limiter la
perturbation introduite dans l'écoulement principal E par le fluide fuyant à
travers le jeu
J1. Ce traitement de forme vise à corriger la direction d'écoulement du flux
fuyant à
travers le jeu pour le ramener parallèlement à l'axe longitudinal.
Ce traitement de forme se matérialise par exemple par des rainures
formées à la face interne de la paroi 2, ces rainures étant agencées pour
redresser le
fluide s'écoulant à travers le jeu J1, depuis le côté intrados vers le côté
extrados de la
pale.
Grâce à ce traitement de forme, le fluide traversant le jeu J1 est
réintroduit dans l'écoulement principal E en ayant au niveau de la sortie de
ce jeu J1 une
orientation la plus proche possible de celle du fluide de l'écoulement
principal E longeant
l'extrados au niveau de la base 14 de la pale.
Avantageusement, la paroi rotative 4 du moyeu comporte elle aussi un
traitement de forme, repéré par 19, qui est situé au droit du sommet de pale
17, de façon
à réduire la perturbation introduite dans l'écoulement principal E par le
fluide fuyant à
travers le second jeu J2.
D'une manière générale, les rainures sont orientées pour favoriser un
guidage du flux de fuite dans une direction axiale, de manière à favoriser le
dévrillage du
flux y compris dans les zones de fuites.
D'une manière générale, l'orientation des rainures dépend de cas
considéré, et de la conception du compresseur. Ces rainures sont d'une manière
générale
rectilignes, en ayant soit une orientation relativement proche de celle de
l'axe dans le cas
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de rainures longitudinales ou axiales, soit une orientation proche de la
normale à l'axe
longitudinal pour former des rainures circonférentielles ou hélicoïdales.
Dans l'exemple de la figure 3, la paroi fixe 2 du carter comporte des
rainures 21 axiales, ayant un angle faible par rapport à l'axe AX pour
contribuer à
redresser le flux de fuite à travers le jeu .11 vers la direction
longitudinale, la paroi 2 du
carter étant une paroi fixe.
Ces rainures 21 couvrent une longueur, le long de l'axe AX, qui est
inférieure à la longueur des pales selon la direction axiale multipliée par
1,2, et elles
forment un angle avec la direction axiale AX compris entre +45 et -45 .
Dans l'exemple de la figure 4, les rainures 22 qui équipent la paroi
rotative 4 du moyeu sont de type hélicoïdal en ayant une orientation proche de
la
perpendiculaire à l'axe AX. Ces rainures forment ainsi des hélicoïdes à la
manière d'une
vis sans fin qui progresse de l'amont vers l'aval lorsque le moyeu tourne, de
manière à
redresser le flux de fuite à travers le jeu J2 vers la direction axiale AX.
Ces rainures 22 sont disposées côte à côte en s'étendant dans leur
ensemble sur une longueur inférieure à la longueur des pales selon la
direction axiale
multipliée par 1,2, et elles forment un angle avec la normale à la direction
axiale AX
compris entre +45 et -45 .
Les exemples de rainures représentés sur les figures 3 et 4 sont donnés
uniquement à titre indicatif, les rainures pouvant d'une façon plus générale
avoir toute
forme adaptée au cas considéré, ces rainures pouvant notamment être incurvées
au lieu
de rectilignes. En particulier, des rainures axiales du type représentées sur
la figure 3
peuvent être prévues sur une paroi rotative, et des rainures hélicoïdales du
type
représentées sur la figure 4 peuvent être prévues sur une paroi fixe.
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