Brevet FR2053049A1 — publié le 19710416

La présente invention concerne une aube à profil d'aile destinée à une machine à écoulement axial ce fluide telle, par exemple, qu'un compresseur de acteur à turbine à gaz. Te teille "aube", tel qu'il est utilisé dans la présente description englo- be les aubes de rotor et de stator ainsi @ue les aubes ou ailettes directrices d'entrée. En outre, l'invention est applicable aux aubes tant de compreeseurs que de turbines. Bien que l'invention soit prineipalement orientée vers la réalisation d'un nouvel ensemble ou étage, ou d'une combinaison d'ensemble ou d'etages déerits et ou représentés dans les dessins annexés, dans une forme particulière de la présente invention, à laquelle toutefois celle-ci n'est pas restreinte, on a prévu une aube à profil d'aile destinée à une machine à écoulement axial de fluide, la courbure de cette aube étant moindre à l'une au moins c'es extrémités de ladite aube qu'au centre de celle-ci de sorte qu'en cours de fonctionnement il se produit moins de tourbillons d'écoulement secondaire. La courbure de l'aube est, de préférence, moindre à ses deux extrémités qu' en son centre. Le profil du bord de faite de l'anbe est, de préférence, tel qu'il permette la variation de courbure requise. C'est ainsi que les extrémités du bord de fuite peuvent être découpées pour permettre la variation re uise de la courbure. En variante, ou en outre, la par- tie centrale du b@rd de fuite peut être formée en spirale. L'invention concerne également une machine à écoulement axial de fluide équipée d'cubes telles que décrites ci-dessus. On décrira maintenant l'invention, uniquement à titre d'exemple non limitarif en référence aux dessins schématiques annexés. dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'une partie de la couronne d'aubes de rotor de type connu d'un compresseur de moteur à turbine à gaz montrant le parcours de l'air à travers cette couronne - la figure 2 est une vue on bout schématique d'une partie de la couronne de la fi ure 1 montrant les tourbillons d'écoulement secondaire produits dans celle-ci - la figure 3a est une vue schématique en coupe d'un compresseur à écoulement axial à deux étages de moteur à turbine à gaz de t::'pe connu - la figure 3b représente les triangles de vitesses pour différents points dans le compresseur de la figure a - la figure 3c est une coupe transversale pratiques à travers le compresseur de la figure 3a - la figure 3d représente la trajectoire projetée d'une particule d'air traversant le compresseur de la figure 3a;; - la figure 4 est un graphique représentant la valeur calculée et la valeur réelle expérimentale de l'angle suivant lequel l'air se déplace par rapport à l'axe de la couronne lorsqu'il passe du rotor au stator d'un étage, l'ordonnée de ce graphi- que représentant la valeur de cet angle &alpha; 3 et l'abscisse représentant la distance à partir de l'extrémité radiale intérieure de celui-ci. - la figure 5 représente schématiquement les trajectoires des particules d'air se déplaçant à travers différentes parties de ladite couronne ; - les figures 6 et 7 sont, respectivement, une vue schématioue en perspective et une vue schématique en élévation d'une aube de rotor conforme à la présente invention, la figure 7 étant une vue selon la flèche 7 de la figure 6 ; - les figures 8 et 9 sont, respectivement, une vue schématique en perspective et une vue schématique en élévation d'une aube de stator dont la structure correspond à ccl- le de l'aube de rotor des figures 6 et 7, la figure 9 étant une vue selon la flèche 9 de la figure 8 ;; - les figures 10 et .11 montrent, respectivement en perspective et en élévation, une autre aube de rotor conforme à la présente invention, la figure 11 étant :uns tue se- lon la flèche il de la figure 10.; et - les figures 12 et 13 montrent, respectivement en-perspective et en élévation, une aube de stator correspondant à l'aube de rotor précédente, la figuré 13 étant une vue selon la-flèche 13 de la figure- 12. Les figures 4 et -2 montrent uns partie d'une couronne d'aubes 20 d'un co- presseur à écoulement axial de moteur à turbiné à gaz qui est représenté comme tournant dans le sens-des aiguillew d'une montre Du fait de sa forme- à profil d'aile, chacune des aubes 20 présente un côté 21 de -pression, ou côté concave, et un côté 22 d'aspiration, ou coté convexe.Les aubes 20 sont représentées eomme étant unies à leurs extrémités radiales intérieures, ou racines, par une embase commune 23 et à leurs extrémités radiales extérieures, ou sommets, par une virole commune 24. Oa comprendra que, cette représentation est-purement schématique. Des essais effectués avec des compresseurs réalisés comme on le voit dans les figures 1 et 2, ont révélé que des températures élevées sont engendrées dans la virole commune 24-et dans l'embase 23. Il en résulte que des températures élevées sont engendrées à valeur tour dans les disques et dans le tambour (non représentés) du compresseur, imposant une limitation des rapports de vitesses et de pression de ce- lui-ci. Lesdites températures élevées engendrées dans la virole commune 24 et dans l'embase commune 23 sont dates, au moins en partie, à la production de tourbillons d'écoulement secondaire 25 (figure 2) à l'intérieur des canaux 26, entre les aubes 20 voisines. Les tourbillons 25 sont eux-mêmes dus à la déviation du parcours 27 de l'air du fait de la différence de pression entre la surface de pression 21 des canaux 26 où la pression est importante et la surface d'aspiration 22 de ces canaux où elle est réduite. Ces tourbillons 25 d'écoulement secondaire continuent à se produire dans l'air dévié même après que celui-ci a quitté ladite couronne. La figure 3a montre un compresseur simple à écoulement axial 30 à deux tages, de type connu, de moteur à turbine à gaz, comportant des aubes de rotor 31, 32 et des aubes de stator 33, 34. Dans la figure 3b, des diagrammes vectoriels indi- quent les parcours d'écoulement aux bords d1 attaque des aubes 31 à 34.La figure 3 permet de se rendre compte que la trajectoire nominale, ou calculée, -d1une particule d'air s'écoulant à travers le compresseur 30 présente une forme légèrement onduléee Le graphique de la figure 4 montre les variations de l'angle &alpha;3 dans les différentes parties de ladite couronne, l'angle &alpha; 3 étant l'angle réel suivant lequel l'air se déplace par rapport à l'axe de la couronne lorsqu'il passe d'une au be de rotor à une aube de stator dans chaque étage. La valeur calculée de l'angle&alpha;3 est représentée par la ligne 35, tandis que la valeur d'essai de celui-ci est repré- sentée par la ligne 36.On constatera, par le graphique de la figure 4 que, tandis que l'on désire que la valeur de l'angle&alpha;3 soit sensiblement constante de la par tie intérieure à la partie extérieure de la couronne, la valeur réelle de l'angle&alpha;3 varie considérablement d'une partie à l'autre de cette couronne, cette valeur étant plus grande que la valeur calculée à proximité'des parois intérieure et extérieuzz do la couronne et plus petite que la valeur calculée au centre de cette couronne.Ces di- vergences sont considérées comme étant dfles aux tourbillons 25 signalés plus hauts La figure 5 montre, en 37, la trajectoire d'une particule d'air à travers la partie 38 ( figure 4) du compresseur où la valeur dtessai de l'angle&alpha; 3 3 coïncide avec la valeur calculée de celui-ci. Toutefois, à proximité de la paroi extérieure de ladite couronne, la trajectoire de ladite particule d'air sera représentée par la ligne 39. qui, ainsi que le montre la figure 5, est très fortement ondulée. du centre (40) de la couronne, la trajectoire de ladite particule d'air serait représentée par la ligne 41 qui est notablement moins ondulée que celle correspondant à la valeur calculée. Le travail produit sur le gaz ou l'air dans un compressaur est lié à la quanti @@ v@ri@tion de té U de vitesse des aubes de rotor multipliée par vitesse de tourbillonnement Vide l'air loraqu'il franchit un étage. Il est donc évident que ce travail produit sur l2air au voisinage des parois intérieure et extérieure de la couronne sera beaucoup plus important que celui produit au centre de cette couronne. L'incidence de l'air sur les aubes tant du rotor que du stator sera donc incorrecte, d'où une réduction du rendement. De plus, l'augmentation du travail produit sur l'air au voisinage des parois de la couronne conduira à une température élevée dans ces zones.En outre, on peut considérer que l'air qui pénètre dans le compresseur au voisinage d'une paroi de la couronne se maintiendra au voisinage de cette paroi d'un bout à l'autre de celle-ci de telle sorte qu'il y aura un accroissement de l'élévation de la température au-dessus de la moyenne dans chacun des étages successifs. La demanderesse a trouvé qu'il était possible de réaliser des aubes dont la tendance à produire des tourbillons d'écoulements secondaires soit réduite, à con dition que leur courbure sqit moindre au moine à l'une de leurs extrémités et, de préférence aux deux, qu'en leur centre. Les figures 5h à 13 montront des exemples de réalisation de telles aubes. Les figures 6 et 7 montrent une aube à profil d'aile 43 de rotor de compresserr de moteur à turbine à gaz qui est supposée tourner dans le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre, c'est-à-dire dans le sens indiqué par la flèche 44, et qui présente de façon classique une racine 45, une embase 46, un bord d'attaque 47 et un sommet 48. Si cette aube 43 était de forme classique, elle présenterait un bord de fuite correspondant à la ligne en traits interrompus 49 (figure 7). En fait, et aimsi qu'on peut le constater sur la figure 7, le bord de fuite réel de cette aube 43 s'é- tend à l'extérieur de la ligne 49 au voisinage de ltembase 46 et du scet 48 et elle est en retrait de cette ligne dans le milieu de sa longueur. Il en résulte une varia- tion de la courbure de cette aube telle que cette courbure est plus importante u centre de ladite aube qu'au voisinage de l'embase 46 et du sommet 48.Ainsi, lare l'aube de rotor des figures 6 et 7, le bord d'attaque 47 n'est pas modifié mais le bord de fuite l'est de manière à provoquer un entrainement en rotation de l'air plus important au centre de cette aube qu'au voisinage des parois intérieure et extérieure de ladite couronne, de telle sorte qu'en fonctionnement la production des tourbil- ions d'écoulement secondaire 25 se trouve réduite. 3a outre, ledit centre du bord de fuite de l'aube dirige l'écoulement médian de l'air vers les parois intérieure et ex- térieure et réactive l'écoulement de la couche limite sur celles-ci sans provoquer de tourbillons d'écoulement secondaire 25. Une disposition similaire est représentée dans les figures 8 et 9 pour une aube 52 de stator de compresseur de moteur à turbine à gaz. Ici encore, coas-e le montre la figure 9, l'aube 52 présenterait normalement un bord de fuite s'étendant selon la ligne 53. Présentement, le bord de fuite 54 de cette aube 52 a été modifié de telle sorte que la courbure de celle-ci soit moindre à chac ne de ses extrémités qu'en son centre de telle manière qu'en fonctionnement la production des tourbillons d'écoulement secondaire mentionnée plus haut soit réduite.En outre, ledit centre du bord de fuite de l'aube dirige l'écoulement d'air médian vers les parois intérieure et extérieure et réactive ainsi l'écoulement de la couche limite sur celles-ci sans provoquer las tourbillons 25 d'écoulement secondaire. Les figures 10 et 11 sont respectivement similaires aux figures 6 et 7 mais montrent une aube de rotor de moteur à turbine à gaz modifiée selon l'in entien. Ces figures 10 et 11 montrent ainsi une aube 55 présentant un bord d'attaque classique 56 et un bord de fuite modifié 57. Ce bord de fuite 57 suit, dans as majeure partie, la l ne 58 représentant un bord de fuite classique. Toutefois, les parties qui constitueraient les extrémités du bord de fuite 58 sont découpées de marière à permettra une modification de la courbure de l'aube et en même temps la formation d'une partie 60 de celle-ci en spirale.Autrement dit, lG courbure se trouve réduite à proximité des parois de la couronne et augmentée au centre de l'aube. Ceci permet d'accentuer la rotation de l'air au centre de la couronne et de la diminuer à proximité des parois de celle-ci. De la même manière, les figures 12 et 13 montrent une aube 61 de stator de compresseur de moteur à turbine E gaz dont la construction correspond à celle de l'aube de rotor 55 des figures 1e et 11. linsi, de même que l'aube de rotor 55, l'au- be de stator 61 présente un bord d'attaque classique 62 mais un bord de fuite 63 modifié qui est découpé au voisinage des extrémités de cette aube et qui présente une partie 64 formée en spirale au milieu de sa longueur. On comprendra que la présente description n'est pas linitative et qu'on pourrait lui adjoindre des adjonctions ou modifications sans sortir du cadre de l'in- vention. REVENDICATIONS 1. Aube à profil d'aile destinee à une machine à écoulement axial de flui de caractérisée en ce que la courbure de cette aube est moindre à au moins l'une des extrémités de celle-ci qu'en son centre de telle sorte qu'en fonctionnement la produc- tion de tourbillons d'écoulement secondaire est réduite. 2. Aube selon la revendication 1 caractérisée en ce que sa courbure est moindre aux deux extrémités de celle-ci qu'en son centre 3. Aube selon une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que le pro- fil de son bord de fuite permet la variation requise de la courbure. 4. Aube selon la revendication 3 caractérisée en ce que au moins uns par- tie de son bord de fuite est découpée de manière à permettre la variation de courbu- re requise. 5. Aube selon l'une des revendications 3 ou 4 caractérisée en ce que Ra partie centrale du borK de fuite est formée en spirale. 6. Aube selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5 car c- térisée en ce que cette aube est une aube de compresseur de moteur à turbine à gaz.