Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2009/125135 PCT/FR2009/050516
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Carter pour roue à aubes mobiles de turbomachine
L'invention concerne le domaine des roues mobiles de
turbomachines, et notamment des roues de compresseurs. Dans les
turbomachines en effet, les roues mobiles associées à des roues fixes,
forment des étages de compresseur dont le rôle est de comprimer le fluide
qui les traverse. La conception et l'optimisation d'une grille de roue(s)
mobile(s) (c'est-à-dire, d'une suite d'une ou plusieurs roues mobiles), par
exemple pour un compresseur, nécessitent de prendre en compte en
particulier deux objectifs.
Le premier objectif est d'avoir un rendement de compression
optimal. Ce rendement de compression peut être défini comme le rapport
entre l'énergie idéalement fournie au fluide pour une compression
isentropique entre l'amont et l'aval de la grille de roues mobiles et
l'énergie réellement fournie au fluide. (Dans le présent document, l'amont
et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du fluide à
travers la grille de roues à aubes).
Le second objectif est de garantir une "marge au pompage"
suffisante. Le pompage est un phénomène d'instabilité du fluide survenant
au sein d'un compresseur, se manifestant par des oscillations basses
fréquences de l'écoulement, et survenant lorsque les conditions de débit,
d'alimentation, de pression ou de température s'éloignent du domaine de
fonctionnement normal de la turbomachine. Ce phénomène instable étant
généralement très énergétique, il fait endurer à la turbomachine de fortes
sollicitations mécaniques (statiques et dynamiques). On comprend donc
naturellement qu'un objectif permanent lors de la mise au point d'une
grille de roues mobiles est d'étendre autant que possible le domaine de
fonctionnement normal de celle-ci et, de ce fait, du compresseur ou de la
turbomachine dans lequel elle se trouve, pour disposer ainsi d'une "marge
au pompage" suffisante qui permet d'éviter les phénomènes de pompage.
De manière connue, des dispositions spécifiques sont prises
dans les roues à aubes mobiles pour optimiser le second objectif, à savoir,
l'optimisation de la marge au pompage.
Dans une roue mobile ou roue à aubes mobiles, le jeu radial de
fonctionnement entre le carter fixe et les aubes mobiles engendre un
écoulement secondaire dit écoulement de jeu. Celui-ci est à l'origine de
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pertes significatives du rendement des roues mobiles et peut être dans
une majorité des cas, à l'origine de la perte de stabilité du compresseur
(phénomène de pompage). Aussi, pour satisfaire le second objectif indiqué
précédemment et maximiser la marge au pompage de la grille de roue
mobiles, de manière connue, on réalise sur la paroi interne du carter, en
regard des extrémités d'aubes des roues mobiles, un traitement de carter.
Un traitement de carter consiste par exemple à réaliser un
ensemble de rainures dans la paroi intérieure du carter. Grâce à ces
rainures, la marge au pompage de la roue à aubes est améliorée. Le
brevet GB 24 08 546 fournit ainsi un exemple de traitement de carter pour
turbomachine. Toutefois, dans le traitement de carter qu'il divulgue,
l'agencement des rainures est très particulier : il ne s'agit pas de rainures
circonférentielles, mais de fentes circonférentiellement espacées les unes
des autres dont l'inclinaison par rapport à la direction radiale est variable.
Il s'ensuit que la fabrication du carter est relativement complexe, et donc
coûteuse, et cela, sans assurer que le carter permette en même temps
l'augmentation de marge au pompage et l'optimisation du rendement de
compression.
En pratique, la plupart des traitements de carter ne sont
destinés qu'à optimiser la marge au pompage du compresseur, sans se
soucier de l'impact souvent négatif qu'ils ont sur le rendement de
compression.
L'objectif de la présente invention est de définir un carter pour
roue à aubes mobiles de turbomachine, ledit carter ayant une paroi
intérieure sensiblement cylindrique suivant un axe de carter, cette paroi
cylindrique présentant une pluralité de rainures circonférentielles, chacune
ayant une section sensiblement constante dans un plan de section axial,
et qui soit optimisé pour simultanément améliorer la marge au pompage
et optimiser le rendement de la roue à aubes de turbomachine associée.
Cet objectif est atteint grâce au fait que dans le carter, la
surface de la section (S1,S2,S3) des rainures circonférentielles (11,12,13)
est décroissante de l'amont vers l'aval de la première (11) à la dernière
(13) rainure.
Par extrémité amont, on désigne ci-dessus une extrémité du
carter qui est prévue pour être disposée du côté amont du carter.
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Par rainure circonférentielle, on entend des rainures qui sont
disposées sensiblement dans un plan perpendiculaire à l'axe de la roue à
aubes. Ce sont donc typiquement des rainures circulaires tracées dans un
plan perpendiculaire à l'axe de la roue à aubes. Ces rainures ne sont pas
nécessairement continues, et ne font pas nécessairement tout le tour du
carter. Cependant, pour qu'elles aient une efficacité suffisante notamment
dans l'amélioration de la marge au pompage de la grille de roues mobiles,
il est nécessaire qu'elles occupent une grande partie de la circonférence
du carter.
Le fait que chaque rainure circonférentielle ait une section
sensiblement constante dans un plan de section axial signifie que quel que
soit le plan de section axial choisi pour évaluer la section, la section de la
rainure est sensiblement la même.
L'intérêt de l'invention résulte des deux observations suivantes
d'une part, c'est essentiellement la première rainure, du côté amont de la
roue à aubes, qui contribue à l'amélioration de la marge au pompage, les
autres rainures contribuant de manière décroissante à cette amélioration,
en fonction de leur éloignement par rapport à la première rainure, d'autre
part, chacune de ces rainures a un impact généralement négatif sur le
rendement de compression de la grille d'aubes mobiles.
Ainsi, pour optimiser simultanément le rendement de la roue à
aubes et l'amélioration de la marge au pompage, selon l'invention, on
privilégie la surface de la section de la première ou des premières rainures
par rapport aux rainures suivantes (c'est-à-dire, d'un groupe de rainures
situé en amont de la ou des autres rainures situées plus en aval).
En général, c'est la première rainure en amont qui a une
surface de section supérieure à celle de toutes les autres rainures.
Cependant, l'invention vise également un mode de réalisation dans lequel
le carter présente de l'amont vers l'aval, deux rainures de sections de
même surface, puis deux rainures de sections de surface plus faible et
ainsi de suite. Selon l'invention, toutes les variations des surfaces de
section des rainures sont envisageables, sous réserve que la surface de la
section desdites rainures circonférentielles soit décroissante de l'amont
vers l'aval, de la première à la dernière rainure. Cette décroissante peut
être régulière comme par exemple, lorsque la diminution de surface de la
section des rainures de l'amont vers l'aval est linéaire. Dans un autre
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mode de réalisation, la décroissance de la surface de section des rainures
peut également se faire par paliers.
On notera que les rainures à considérer sont les rainures
disposées sensiblement en regard des aubes de la roue à aubes,
indépendamment de la forme du carter en amont et en aval de la roue à
aubes.
Selon un mode de réalisation, les rainures s'étendent chacune
sensiblement dans un plan perpendiculaire à l'axe du carter.
Selon un mode de réalisation, la profondeur de la première
desdites rainures circonférentielles est supérieure à celle des rainures
suivantes situées plus en aval.
Selon un mode de réalisation, la profondeur desdites rainures
circonférentielles est décroissante de l'amont vers l'aval.
Avantageusement, la décroissance de profondeur desdites
rainures circonférentielles est linéaire.
Selon un mode de réalisation, la largeur de la première desdites
rainures circonférentielles est supérieure à celle des rainures suivantes
situées plus en aval.
Selon un mode de réalisation, la largeur desdites rainures
circonférentielles est décroissante de l'amont vers l'aval suivant l'axe du
carter.
Les différents modes de réalisation cités précédemment
permettent conformément à l'invention d'optimiser simultanément le
rendement de la roue à aubes et l'amélioration de la marge au pompage
en jouant sur différents paramètres qui peuvent ainsi être optimisés en
fonction des autres contraintes à prendre en compte dans la conception
de la grille de roues mobiles.
Selon un mode de réalisation, le carter présente entre des
rainures consécutives des surfaces de jonction sensiblement cylindriques,
et le diamètre des surfaces de jonction est sensiblement égal à la valeur
moyenne des diamètres intérieurs du carter mesurés respectivement en
amont et en aval des rainures.
Grâce à cette disposition, l'écoulement au niveau du jeu entre
les extrémités d'aubes et le carter se produit, si l'on exclut les rainures,
dans un espace dont le diamètre évolue d'une manière régulière, et ainsi
les turbulences indésirables sont réduites.
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Un second objet de l'invention est de définir une turbomachine
de rendement élevé et dont la marge au pompage est importante.
Cet objectif est atteint grâce au fait que la turbomachine
comprend une roue à aubes mobiles, et un carter tel que défini
5 précédemment. Ainsi, les performances de la turbomachine sont
optimisées, et celle-ci bénéficie d'un rendement optimisé avec une marge
au pompage améliorée.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront
mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de
réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se
réfère aux dessins annexés, sur lesquels
la figure 1 est une vue en perspective d'une roue à aubes
mobiles pour turbomachine comportant un carter selon l'invention ;
la figure 2 est une coupe axiale de la roue à aubes mobiles
présentée en figure 1 faisant apparaître le traitement de carter objet de
l'invention.
En faisant référence à la figure 1, un carter pour roues à aubes
mobiles selon l'invention va maintenant être décrit.
La figure 1 représente une roue à aubes 100. Cette roue à
aubes 100 se compose principalement d'un rotor constitué par un disque
rotor 30 et des aubes 20, mobile en rotation suivant un axe F à l'intérieur
d'un stator constitué par un carter 10 fixe. Dans la roue à aubes, le disque
rotor 30 est une pièce en forme d'anneau dont une fonction est de
maintenir et de mouvoir en rotation les aubes mobiles 20. Les aubes
mobiles sont généralement fixées au disque rotor par leurs pieds à l'aide
d'attaches dites brochées ou marteau. Chacune des aubes mobiles est
ainsi constituée d'un pied, d'une plate-forme 22 qui constitue la partie
interne de la section de passage du flux, et d'un profil aérodynamique 23.
Les aubes mobiles peuvent également être réalisées dans le même bloc de
matériau que le disque rotor, on parle en ces cas là de disque aubagé
monobloc. Le flux s'écoule sensiblement suivant l'axe de F de la roue à
aubes, dans les passages inter-aubes disposés entre les profils
aérodynamiques 23 des différentes aubes. Dans le sens radial, le passage
du flux se fait entre les plates-formes 22 des aubes et à l'intérieur du
carter 10 de la roue à aubes. Chaque aube comporte un profil
aérodynamique 23 disposé dans une direction sensiblement radiale. Le
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pied de l'aube est disposé vers le centre de la roue à aubes, alors que le
profil 23 s'étend vers l'extérieur. L'extrémité du profil 23, au cours de la
rotation de la roue à aubes, est donc amenée à se déplacer à grande
vitesse au voisinage du carter fixe 10. Pour l'efficacité de la roue à aubes,
la maîtrise du jeu (61,62) entre l'extrémité de l'aube et la paroi interne 15
du carter est importante. Il est ainsi essentiel que ce jeu soit réduit. Ce
jeu va être détaillé en relation avec la figure 2.
La figure 2 est une coupe faisant apparaître l'extrémité d'une
aube 20 en regard de la coupe correspondante du carter 10. Pour
permettre la rotation relative de l'aube 20 par rapport au carter 10, un jeu
est aménagé entre l'aube et le carter. Celui-ci prend ainsi une valeur B1
en amont de l'aube et une valeur B2 en aval dans l'exemple représenté.
La coupe fait apparaître les sections de trois rainures 11, 12 et 13 radiales
ou sensiblement radiales. Ces trois rainures sont disposées en regard de
l'extrémité de l'aube 20 ; elles peuvent s'étendre partiellement en amont
ou en aval de cette extrémité. Ces rainures 11, 12 et 13 constituent un
traitement de carter dont l'objectif est d'améliorer la marge au pompage
dans la turbomachine dont fait partie la roue à aubes, tout en disposant
d'un rendement optimal de la roue à aubes. Pour atteindre cet objectif,
l'agencement des rainures conformément à l'invention fait apparaître des
rainures 11, 12, 13 dont les surfaces de section respectives Si, S2, S3
sont décroissantes de l'amont vers l'aval. Les rainures 11, 12 et 13 sont
des rainures circulaires radiales qui font le tour du carter dans un plan
perpendiculaire à l'axe F de celui-ci. Les surfaces Si, S2, S3 décroissent
linéairement. Cette décroissance de la surface des rainures de l'amont
vers l'aval ainsi que la prééminence de la première rainure par rapport aux
suivantes sont obtenues en faisant varier à la fois la largeur des rainures
mais aussi leur profondeur.
Ainsi, la première rainure a la plus grande largeur Dl mesurée
selon l'axe F du carter, mais aussi la plus grande profondeur El mesurée
radialement. De manière similaire, les profondeurs de rainures
décroissent, linéairement, de l'amont vers l'aval entre les trois rainures 11,
12, 13 et présentent ainsi des profondeurs El, E2, E3 linéairement
décroissantes ; de même, les largeurs mesurées selon l'axe F du
carter Dl, D2 et D3 respectivement des trois rainures sont-elles
linéairement décroissantes de l'amont vers l'aval.
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Pour minimiser les turbulences se produisant entre l'extrémité
de l'aube 20 et la paroi du carter 10, les jeux entre l'extrémité de l'aube et
la paroi 15 interne du carter 10 varient de manière continue entre l'amont
et l'aval de la roue à aubes.
A partir de l'extrémité de l'aube, ces jeux sont, de l'amont vers
l'aval, un premier jeu Bi jusqu'à la paroi interne 15 du carter, un jeu Cl
jusqu'à la surface de jonction 16 entre les rainures 11 et 12, un jeu C2
jusqu'à la surface de jonction 17 entre les rainures 12 et 13, et enfin un
jeu B2 jusqu'à la paroi interne 15 du carter (La notion de jeu n'étant pas
définie au droit des rainures 11, 12 et 13).
Pour permettre un passage régulier, peu générateur de
turbulences à travers la roue à aubes au voisinage des extrémités
radialement extérieures des aubes mobiles, les jeux B1, Cl, C2, et B2 ont
des valeurs proches. Corrélativement, on peut noter également que les
surfaces de jonction 16 et 17 entre rainures, sont sensiblement
cylindriques et ont des diamètres sensiblement égaux à un diamètre
moyen entre le diamètre amont Al mesuré en amont de l'aube 20 et le
diamètre A2 mesuré en aval de celle-ci.
Les rainures 11, 12, 13 représentées sur la figure 2 s'étendent
radialement, c'est-à-dire chacune sensiblement dans un plan
perpendiculaire à l'axe du carter. Selon une variante, ces rainures peuvent
également être obliques, c'est-à-dire les rainures ne sont pas creusées
perpendiculairement à la paroi 15 interne du carter, mais en oblique, soit
vers l'amont, soit vers l'aval de la roue à aubes.
Par ailleurs, en pratique la profondeur El des rainures varie
typiquement de la moitié du jeu moyen jusqu'à trente fois celui-ci, le jeu
moyen étant mesuré entre l'extrémité de l'aube 20 et la paroi interne 15
du carter 10. D'autre part, typiquement la profondeur, la surface et/ou la
largeur de rainure est divisée par deux à cinq, entre la première rainure en
amont du traitement de carter et la dernière rainure du traitement de
carter.
Enfin, le mode de réalisation présenté sur la figure 2 comporte
trois rainures, dont les sections présentent des surfaces régulièrement
décroissantes. De nombreux autres modes de réalisation peuvent être
utilisés. Notamment, au lieu d'avoir ces sections de surfaces régulièrement
décroissantes, on peut avoir un premier groupe de rainures en amont,
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ayant toutes une même surface de section, qui serait supérieure à celle
commune aux autres rainures situées plus en aval.
