Brevet FR2003356A1 — publié le 19691107

200335.3 La présente invention concerne le perfectionnement des dispositifs pour l'utilisation des fluides, et en particulier l'amélioration de l'écoulement de l'air le long d:un conduit annulaire incurvé dans le sens longitudinal,, 5 Dans de nombreux cas il est désirable dans les moteurs à turbines à gaz de faire tourner l'écoulement de l'air ou d'un autre fluide autour de parties incurvées dans le sens longitudinal de conduits annulaires, en particulier dans les passages d'entrée et de sortie des rotors des turbomachines telles que les com-10 presseurs et les turbines. Dans le cas où l'écoulement d5un fluide tourne suivant des trajets incurvés ayant des rayons de courbure relativement faibles à grande vitesse il peut en résulter une perte substantielle d'énergie, la perte étant la plus élevée dans la partie incurvée convexe de la paroi du conduit, 15 L'utilisation d'un rayon de courbure suffisamment important pour éliminer une telle perte augmente nécessairement la longueur globale du conduit. L'augmentation de la longueur du conduit est en général un inconvénient pour de nombreuses raisons, et c'est un problème sérieux dans le cas des moteurs à turbine 20 à gaz utilisés pour la propulsion des avions en raison de l'augmentation de poids qui en résulte habituellement. La présente invention a pour objet principal de minimiser les pertes dans l'écoulement d'un fluide tournant autour de parties incurvées de façon convexe dans le sens longitudinal 25 à travers des passages d'écoulement annulaires. En particulier dans les turbomachines, il est en général nécessaire de modifier l'angle de tourbillonnement du fluide circulant à travers des passages annulaires. Par exemple, l'air sous pression refoulé à partir des ailettes d'une soufflante ou d'un compresseur basse 30 pression rotatif d'un réacteur à turbo-souffiante comporte une composante tangentielle ou de tourbillonnement qui doit être supprimée pour qu'il existe un vecteur de poussée longitudinale quand l'air échappe sous pression à travers une tuyère de propulsion. Cette condition est nécessaire pour obtenir le ren-j55 dement maximal de propulsion du courant d'air sous pression. Un autre exemple apparaît à l'entrée de certaines turbines quand il est désiré que l'air arrivant dans les ailettes tournantes ait une composante tangentielle donnée pour un bon rendement du compresseur ou de la turbine. hQ L'invention a aussi pour objet de commander le tourbillonnement de l'air pendant sa rotation autour d'un passage d'é- bad original 69 06279 2 2003356 cotilement annulaire courbe. D'une façon générale, les buts de l'invention sont atteints en établissant un conduit annulaire ayant une partie de paroi incurvée de façon convexe dans la direction longitudinale et 5 une série circulaire d'ailettes à profil aérodynamique courbe, ces ailettes dépassant ou étant montées au voisinage immédiat de la partie de paroi à courbure convexe, cette partie de paroi ayant une courbure sensiblement sur toute la longueur des ailettes, les ailettes étant inclinées par rapport aux positions radiales 10 de l'axe du conduit et leurs surfaces concaves faisant face vers la partie courbe convexe de la paroi du conduit, de façon que pendant la circulation du fluide à travers le conduit son angle de tourbillonnement soit changé par les ailettes et que le fluide tourne suivant la courbure convexe de la paroi du conduit. 15 Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : La figure 1 est une vue en élévation latérale et en 20 demi-coupe schématique d'un réacteur à turbo-souffiante. La figure 2 est une coupe à plus grande échelle de la partie avant du moteur de la figure 1. La figare j5 est une coupe transversale d'une partie de la structure représentée sur la figure 2„ 25 La figure 4 est une coupe suivant la ligne IV--IV de la figure 5. La figure 5 est une coupe suivant la ligne V-V de la figure 3, La figure 6 est une coupe schématique de l'entrée d'un 30 acteur à scai fiante à action ascensionnelle. La figure 7 est une vue en plan de l'entrée de la soufflante de la figure 6. La figure 8 est une coupe suivant la ligne VITI-VHI de la figure J. 35 La figure 9 est une coupe longitudinale du conduit d'entrée d'une turbine suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, et La figure 10 est une coupe suivant la ligne X-X de la figure 9. iRAH ORIGINAL 69 06279 2003356 Le -réacteur à turbo-soufflante de la figure 1 comprend un moteur générateur central 12 qui engendre un courant de gaz chauds et une soufflante ou compresseur basse pression 14. La soufflante 14 est entraînée par le moteur central et refoule un ^ courant d'air sous pression qui échappe à travers une tuyère annulaire 15 pour établir une force de propulsion. Le moteur générateur central comprend un compresseur haute pression 16 qui produit un courant d'air annulaire sous pression pour la combustion du carburant dans une chambre de 3_0 combustion 1J. Le courant de gaz chauds ainsi engendré échappe à travers une turbine haute pression 18 qui entraîne un rotor de turbine haute pression 20. Ce rôtor est couplé au rotor 24 du compresseur haute pression 16 pour entraîner celui-ci. Le courant de gaz chauds traverse ensuite une tur'cine basse pres-15 s ion 26 et échappe à travers une tuyère principale 28 pour établir une force de propulsion. La turbine 26 pour l'entraînement de la soufflante comprend un rotor 3° relié par un arbre intérieur 32 au rotor 34 de la soufflante située à l'extrémité d'entrée du moteur. Le rotor 34 20 de la soufflante porte une série d'ailettes 36 fixées au moyeu du rotor et dépassant vers un capot annulaire 38» La partie extérieure du courant d'air sous pression produit par les ailettes de la soufflante échappe à travers la tuyère annulaire 15 établie entre l'extrémité aval du capot 38 et un fuseau 42 dans lequel 23 est logé le moteur central. La partie intérieure du courant d'air sous pression produit par les ailettes 36 de la soufflante est comprimée de façon supplémentaire par un étage partiel 44 de la soufflante, et elle est ensuite dirigée vers le conduit d'entrée 4 du moteur central 12, et plus particulièrement du compresseur 30 haute pression 16. La figure 9 représente d'une façon plus détaillée la soufflante 14. Le rotor 34 de la soufflante comprend un disque 47 fixé à un arbre tubulaire 32 de construction composite. Des paliers convenables, tels que ceux représentés en 48 et 50 sup-portent cet arbre. Un nez en dôme 52 est fixé au coté avant du disque 47. L'étage 44 de la soufflante comporte un anneau diviseur 54 dont le bord avant est situé près des bords de fuite des ailettes 36. Des ailettes de stator 56 sont disposées entre l'anneau diviseur 54 et un écran intérieur 58. Un disque 60 BAD QRIGIMAL 69 06279 4 2003356 est fixé au-disque 4-7 et une série circulaire d'ailettes relativement courtes 62 est fixée sur le disque 60. Ces ailettes se terminent à côté de la surface intérieure de l'anneau diviseur 5^. Des ailettes redresseuses 64 sont disposées entre l'extrémité 3 aval de l'anneau diviseur 5^- et un carter en plusieurs parties 66 qui définit partiellement les limites intérieures du passage d'écoulement du courant de la soufflante et les limites intérieures de l'entrée 46 du moteur. Les autres limites intérieures du passage annulaire d'écoulement du courant de la soufflante 10 sont définies par les bases ou talons des ailettes 36 et 62 et des ailettes redresseuses 66, tous les éléments définissant le passage d'écoulement étant d'une façon générale alignés par rapport au moyeu du rotor de la soufflante. La surface extérieure du conduit d'entrée 46 est définie par la surface inté-15 rieure du fuseau 42. Des ailettes redresseuses 70 s'étendent de l'anneau diviseur 54 jusqu'au capot 38 et constituent des connexions de structure supplémentaires entre les parties stationnaires de l'étage 44 de la soufflante et le capot annulaire. Des entre-20 toises 72 sont disposées entre le capot 38 et le fuseau 42 pour constituer des liaisons de structure. Le bord avant du fuseau 48 constitue un diviseur secondaire permettant à des proportions variables du débit total de la soufflante d'être dirigées vers la tuyère 15 et vers 25 l'entrée 46 du moteur. De toute façon, au moins une partie de l'air refoulé sous pression par l'étage partiel 44 de la soufflante est dirigée vers l'entrée 46 du moteur. Pour des raisons en rapport avec le cycle global du moteur à réaction à turbo-souffiante, le rayon des ailettes 62 au 30 moyeu est bien supérieur au rayon du moyeu du rotor 24 à l'entrée du compresseur haute pression. Cela conduit à la nécessité d'un conduit d'entrée incliné vers l'intérieur de la façon représentée sur la figure 2. Un problème rencontré et résolu par la présente invention 35 est celui de la rotation du courant du second étage de la soufflante suivant un trajet à rayon de courbure relativement faible afin que la longueur totale du conduit, et par suite du moteur, puisse être aussi faible que possible. Un courant de fluide a habituellement tendance à se séparer rf0 quand il tourne suivant un rayon de courbure relativement court. 69 06279 5 2003356 Bien entendu, ce problème est toujours plus appréciable dans la partie à courbure convexe de la paroi d'un conduit que le long de la paroi opposée. Conformément à la présente invention, les ailettes redres-5 seuses 64 sont inclinées par rapport à des positions radiales de la façon représentée sur la figure En utilisant des surfaces concaves de ces ailettes courbes faisant face à la surface à courbure convexe de la paroi 66 à partir de laquelle dépassent ces ailettes, une composante de vitesse est communiquée à l'air 10 pour le faire circuler le long de la surface courbe avec un minimum de perte d'énergie. De plus, il peut être noté d'après les figures 4 et 5 que l'angle de tourbillonnement de l'air est changé. Plus particulièrement, suivant l'exemple représenté, l'air échappant des ailettes 22 de la soufflante a une composante tangentielle 15 de la façon indiquée sur la figure 5- Pendant le passage de l'air entre les ailettes 64, la composante vectorielle est modifiée pour "■•enir sensiblement dans une direction longitudinale. Les figures 6 à 8 représentent un mode de mise en oeuvre de l'invention pour des ailettes redresseuses d'un moteur à soufflante 20 à effet ascensionnel. Un moyen efficace pour obtenir le décollage vertical d'un avion consiste à placer des soufflantes à effet ascensionnel dans les ailes de l'avion. Ces soufflantes d'ascension produisent une poussée ascensionnelle permettant à l'avion d'atteindre une altitude de sécurité avec peu ou même sans vol en avant. 55 La propulsion peut être ensuite transférée pour le vol en avant sous l'action d'un système propulseur plus ou moins classique, Pendant le vol en avant, l'entrée et la sortie de la soufflante d'ascension sont fermées par des volets affleurant la surface aérodynamique de l'aile. Le montage de ces soufflantes d'ascension 30 nécessite un minimum de longueur axiale, c'est-à-dire que les ailes doivent avoir une épaisseur verticale convenable sans provoquer d'effet de traînée. Les soufflantes d'ascension doivent aussi avoir une section d'entrée relativement importante, et elles ont en général un rapport faible entre le diamètre du moyeu et le diamètre 35 aux extrémités des ailettes. De plus, comme la vitesse de montée est relativement faible, il y a peu d'effet de pression dynamique. Pour obtenir le débit massique d'air à travers la soufflante, BAD OBAGIMAL 06279 6 2003356 l'air est aspiré dans celle-ci à partir d'une superficie substantielle dans la zone marginale diamétralement de la soufflante. La figure 6 représente un rotor de soufflante 80 avec des ailettes 82 dépassant du moyeu vers la paroi extérieure 84 du conduit de la soufflante. L'extrémité d'entrée du conduit de la soufflante et l'entrée de la soufflante elle-même sont définies par une surface à courbure convexe 86 afin que l'air puisse arriver facilement de la partie périphérique de la soufflante. Il est évident que l'air circulant autour de la surface 86 doit tourner suivant un rayon relativement court, tandis que l'air arrivant vers le centre de l'entrée annulaire de la soufflante tourne suivant un rayon supérieur et que l'air arrivant dans la partie intérieure de l'anneau de la soufflante circule dans une direction pratiquement axiale. Pour faciliter le mouvement tournant de l'air autour de la surface courbe 86, des ailettes de guidage d'entrée 88 inclinées sont fixées à l'entrée de la soufflante. Ces ailettes agissent d'une façon analogue à celle des ailettes redresseuses 64 du fait qu'elles réduisent les pertes dans l'air pendant son mouvement tournant suivant une courbure à rayon relativement faible. Ces •ailettes sont incurvées et inclinées de l'angle voulu pour établir un tourbillonnement préalable convenable de l'air aspiré dirigé vers les 3ilettes 82 de la soufflante. Comme la partie intérieure du courant de la soufflante arrive essentiellement dans une direction axiale et à une vitesse plus faible, les ailettes 88 sont de préférence fixées en porte-à-faux. De plus, l'importance du tourbillonnement préalable est supérieure pour les parties extérieures -Ju courant d'air et par suite la courbure des ailettes varie progressivement d'une courbure maximale à la surface 86. à une courbure rrinimale aux extrémités libres, c'est-à-dire vers l'axe de la soufflante. Les figures 9 et 10 représentent un exemple caractéristique de conduit annulaire 90 ayant une courbure dans le sens longitudinal et qui est défini par une paroi intérieure 92 et une paroi extérieure 94. Un courant de gaz chauds passe à travers le conduit 9° vers une turbine 96 comportant un rotor 98 avec des ailettes 100 dépassant du rotor dans le conduit. Des ailettes de distributeur 102 sont fixées entre les parois 92 et 94. Le passage d'écoulement tourne aussi suivant un rayon de courbure relativement faible et les H BAD ORSGIMM. 69 06279 7 2003356 ailettes de distributeur 102 dépassent la partie à courbure convexe du conduit vers la partie à courbure concave de la paroi 94. Ces ailettes sont inclinées de la façon visible sur la figure 10 pour minimiser les pertes pendant le mouvement tournant des gaz 5 chauds à travers le conduit 90 vers la turbine 96. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. BAD ORfâ\NM- 69 06279 8 2003356 revendications 1. Une machine pour utiliser la circulation d'un fluide caractérisée par un rotor à ailettes et un conduit annulaire comportant une partie de paroi ayant une courbure convexe dans une 5 direction longitudinale, comportant une série circulaire d'ailettes de forme aérodynamique courbe s'étendant à partir de la partie de paroi à courbure convexe, cette partie de paroi ayant une courbure sensiblement du bord de tête au bord de fuite des ailettes, et les ailettes étant inclinées par rapport à des positions radiales par 10 rapport à l'axe du conduit et étant disposées pour que leurs surfaces à courbure concave fassent face vers la partie à courbure convexe de la paroi du conduit afin que pendant l'écoulement du fluide à travers le conduit l'angle du tourbillonnement soit changé par les ailettes, le fluide tournant suivant la courbure convexe 15 de la paroi du conduit. 2. Une machine pour utiliser la circulation d'un fluide selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ailettes ont une relation angulaire de tourbillonnement prédéterminée par rapport au passage du fluide à travers le rotor à ailettes. 20 3' Une machine pour utiliser la circulation d'un fluide selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le rotor à ailettes est un rotor de compresseur et que les ailettes sont des ailettes redresseuses espacées en aval du rotor du compresseur, ces ailettes étant disposées pour diriger le fluide 25 sous pression refoulé par les ailettes du compresseur dans une direction générale longitudinale du fait du passage du fluide le long de la partie incurvée de la paroi du conduit. 4. Une machine pour utiliser la circulation d'un fluide selon l'une des revendications 1 à 3 pour un moteur à turbine 30 à gaz du type à soufflante d'alimentation caractérisée par un moteur générateur central comportant un conduit annulaire incurvé vers l'intérieur avec une partie à courbure convexe de la paroi intérieure du conduit, la paroi extérieure du conduit définissant conjointement avec la partie de paroi intérieure du conduit un 35 passage d'écoulement pour le fluide refoulé par le compresseur dans lequel des ailettes redresseuses sont disposées entre la partie de paroi intérieure à courbure convexe et la partie de paroi extérieure du conduit, 5..Une machine pour utiliser la circulation d'un fluide 69 06279 2003356 selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rotor à ailettes est le rotor d'une soufflante, le conduit annulaire définissant l'entrée de la soufflante, la partie à courbure convexe du conduit étant l'entrée de la soufflante et les ailettes partant en porte-à-faux de la partie à courbure convexe. 6. Une machine pour utiliser la circulation d'un fluide selon la revendication 1, caractérisée en ce que la turbomachine comporte une turbine et un conduit annulaire ayant une partie à courbure concave espacée de la partie à courbure convexe et dans 10 lequel les ailettes redresseuses sont disposées entre la partie à courbure convexe et la partie à courbure concave. bad owginal