Brevet FR2126109A1 — publié le 19721006

L'invention concerne les turbomachines en général. Elle s'applique notamment aux compresseurs axiaux tels que ceux qui sont utilisés dans les groupes de turbines à gaz ou dans les turboréacteurs d'cvirtion. 5 On sait qu'un mouvement oscillant imprimé à un pro fil plongé dans un écoulement de fluide, par exemple à une aile de planeur, permet d'augmenter sa portance et/ou de diminuer sa traînée. Cet effet de l'oscillation d'un profil, appelé effet KATZMAYR, est lié au déplacement, en aval du pro-10 fil, de turbulences qui se produisent à son bord de fuite. Les valeurs optimales de l'amplitude et de la fréquence des oscillations peuvent être déterminées par l'expérience, notamment à partir de résultats d'essais en soufflerie qui ont été publiés et commentés dans le ne 23 (1970-7), pages 23 à 37 cle 15 la revue "L'.Aéronautique et l'Astronautique" (édition "Air et Cosmos", 13, rue Alphonse-de-Neuville, Paris 17ème). Ces valeurs optimales dépendent de paramètres tels que la vitesse de l'écoulement et son incidence moyenne. Conformément à la présente invention, on imprime un 20 mouvement oscillant à une grille de profils formant un étage de turbomachine, en mettant ainsi à profit l'effet KATZMAYR non pas pour augmenter une portance ou diminuer une traînée, mais pour améliorer le rendement de l'étage. L'amélioration sera d'autant plus sensible que l'amplitude et la fréquence des os-25 cillations seront plus proches de valeurs optimales qui sont des fonctions des paramètres de fonctionnement de l'étage et qui peuvent être déterminées par dec essais. Par exemple, les valeurs optimales de l'amplitude et de la fréquence des oscillations des eubes d'un étrge de com-30 presseur dépendent de la vitesse de rotation (ou plus précisément du paramètre de fonctionnement N/ \f T appelé vitesse réduite) et de la charge aérodynamique de l'étage (par exemple du paramètre P2/P1, rapport des pressions en aval et en amont de l'étage). Des essais permettront de déterminer ces 35 valeurs optimales en fonction de ces deux paramètres. Dans un mode d'exécution de l'invention, on imprimera donc aux aubes d'un étage de compresseur des oscillations à une amplitude et à une fréquence qu'on fera varier en fonction de ces deux paramètres de façon à les maintenir au voisinage 40 immédiat àe leurs valeurs optimales. Dans d'autres modes 71 06496 2 » 2126109 d'exécution, de réalisation plus facile, on pourra faire varier seulement la fréquence en maintenant une amplitude intermédiaire entre ses valeurs optimales extrêmes, ou vice-versa. Dans d'autres modes d'exécution encore, on pourra faire va-5 rier l'amplitude et/ou la fréquence en fonction de l'un seulement des- ■ deux paramètres mentionnés plus haut. L'invention présente un avantage particulier dans le cas des compresseurs de turboréacteurs modernes, dans lesouels les marges de sécurité de fonctionnement sont insuffisantes 10 à faible vitesse. Un mouvement oscillant des aubes de l'étage de tête permet en effet d'éviter le décrochage du turboréacteur. Les progrès réalisés dans les domaines des matériaux et de la technologie, qui permettent maintenant de construire 15 des roues de compresseur à pas variable, rendent relativement facile la réalisation d'un mécanisme propre à imprimer un mouvement oscillant à de? aubes de rotor de compresseur. On peut aussi faire osciller des aubes statoriques, par exemple celles d'une directrice d'entrée. L'application 20 d'un mouvement oscillant à l'aubage statorique d'un étage de compresseur augmente non seulement le rendement de cet aubage, mais aussi celui de l'aubage rotorioue suivant. Il va de soi les aubes qu'on peut faire osciller à la fois les aubes rotoriques et / statoriques. On peut faire osciller les aubes d'un ou plu-25 sieurs étages. L'application de l'invention à la soufflante de tête d'un compresseur de turboréacteur d'aviation procure un gr.in de performance, tant pour la stabilité de l'ensemble du turboréacteur que pour l'augmentation de la charge de cette souf-30 fiante. Cette augmentation de charge peut même permettre de réduire à un seul le nombre d'étages de la soufflante. Ces avantages compensent très largement l'augmentation de poids provoquée par les mécanismes nécessaires pour cette application de l'invention. 35 La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, toute particularité qui ressort tant du texte que des figures rentrant, bien entendu, dans le cadre de ladite invention. 40 La figure 1 est le schéma de principe d'un dispositif 71 06496 3 2126109 permettant d1impriner aux aubes rotoriques d'un étage de compresseur un mouvement oscillant dont l'amplitude et la fréquence sont des fonctions de la vitesse réduite et de la charge aérodynamique ; 5 la figure 2 est une vue en demi-coupe axiale d'une partie d'un rotor de compresseur, montrant un dispositif imprimant aux-aubes d'un étage un mouvement oscillant ; la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2 ; 10 la figure 4 est une vue analogue à la figure 2, mon trant un . autre mode de réalisation ; la figure 5 est une vue en coupe selon 3a ligne V-V de la figure 4. Sur la figure 1, la référence 1 désigne une roue de 15 compresseur- axial qui est entraînée en rotation autour de son axe XX'. La roue 1 est représentée en coupe axiale partielle. Elle supporte l'aubage rotorique d'un étage de compresseur, comprenant une pluralité d'aubes telles que 2 dont chacune est montée pivotante, au moyen de billes 3, autour d'un axe 20 YY' disposé radialement par rapport à la roue. Un dispositif de commande figuré schématiquement en 4, et qui sera décrit plus loin, permet de faire pivoter simultanément toutes les aubes 2 autour de leurs axes YY' respectifs, de part et d'autre d'une position moyenne qui a été 25 déterminée par les moyens habituels pour obtenir le fonctionnement désiré du compresseur. L'amplitude et la fréquence du mouvement oscillatoire de pivotement imprimé aux aubes 2 par le dispositif de commande 4 sont des fonctions des paramètres N/ s/ T et P2/P1 qui ont été déterminées par des essais préli-30 minaires pour obtenir des performances optimales du compresseur. Chaque aube 2 est pourvue d'une queue 2a portant à son extrémité un pignon 5i et les pignons 5 de toutes les aubes 2 engrènent avec une denture 6a d'une couronne 6 qui peut tour-35 ner autour de l'axe XX' en coulissant dans une portée la de la roue. Cette couronne 6 est pourvue, sur sa face opposée à la denture 6_a, d'une autre denture 6b qui engrène avec un pignon 7a d'un arbre radial 7 supporté par un palier ïb de la roue et pourvu d'un autre pignon 7b. Celui-ci engrène à son tour avec 40 le pignon 8a d'un moteur 8 coaxial à la roue 1 et solidaire 71 06496 » 2126109 de celle-ci. Ce moteur 8 est actionné par le dispositif de com~. mande 4 de façon à imprimer au pignon 8aun mouvement de rotation oscillant qui est transmis par le pignon 7b à l'arbre 7> dont le pignon 7a fait tourner la couronne 6 autour de l'axe 5 XX' alternativement dans un sens et dans l'autre. Le mouvement .de la couronne 6 est transmis simultanément à toutes les aubes 2 par les pignons 5 qui leur transmettent un mouvement de pivotement oscillant autour de leurs axes YY' respectifs. Le dispositif de commande 4 comprend un régulateur 10 9 recevant, 'respectivement par deux lignes 10 et 11, des signaux d'amplitude et de fréquence élaborés par une calculatrice 12 qui reçoit par une ligne 13 le signal N/ \/t et par une ligne 14 le signal P2/P1 élaboré par une autre calculatrice. 15,celle-ci recevant par des lignes 16 et 17 les signaux 15 de pression PI et P2 détectés par des sondes 16a et 17a placées respectivement en amont et en aval des aubes 2. Le régulateur 9 fait tourner le moteur 8 alternativement dans un sens et dans l'autre de façon que l'amplitude et la fréquence des oscillations des aubes 2 soient déterminées par les signaux 20 reçus par les lignes 10 et 11. Un tel dispositif de commande peut être réalisé par les gens du métier. Les signaux N/ \/ T et P2/P1 sont utilisés couramment dans la technique de la régulation des turbomachi-nes. La réalisation d'une calculatrice telle que 12 capable 25 d'émettre des signaux de sortie qui sont des fonctions, éta-blies empiriquement à partir d'essais, de ces signaux N/ n/t et P2/P1, est à la portée des spécialistes. Si le moteur 8 est, par exemple, un moteur électrique, il est facile de réaliser un régulateur tel que 9 capable de 1'exciter alternati-30 vement dans un sens et dans l'autre de façon à imprimer au pignon 8a. un mouvement de rotation oscillant dont la fréquence et l'amplitude sont déterminées par les signaux émis par la calculatrice 12. Dans le mode de réalisation de la figure 2, les aubes 35 2 sont montées dans la roue 1 au moyen de trois rangées de billes 3 à la manière d'aubes de compresseur à pas variable, de sorte que chaque aube 2 peut pivoter autour de son axe YY' comme dans le cas de la figure 1. La roue 1 est supportée par Tin arbre creux 18. L'extrémité de la queue 2_a de chaque 40 aube 2 est pourvue d'une denture 19 qui engrène avec une cré 71 06496 5 2126109 maillère 20a formée par une denture pratiquée sur une tige 20 montée coulissante dans des alésages 21, 21a. de la roue 1. Les deux extrémités de la tige 20 portent respectivement sur des surfaces de came annulaires complémentaires 22, 22a formées 5 respectivement sur deux plateaux 23, 23a solidaires d'un arbre 24 coaxial à l'arbre creux 18. Cet arbre 24 est entraîné en rotation par un dispositif moteur 25 supporté par une partie fixe 26 du compresseur. Ce dispositif moteur 25 peut être d'un type quelcon-10 que, par exemple mécanique, hydraulique ou électrique, et est commandé par des moyens non représentés de façon à entraîner l'arbre 24 à une vitesse réglable. Lorsque la vitesse de rotation vu m de l'arbre 24 est différente de la vitesse de rotation a de l'arbre creux 18, les extrémités de chacune des 15 tiges 20 se-déplacent respectivement le long des surfaces de came 22 et 22a ; celles-ci sont conformées de façon à imprimer à chacune des tiges 20, pendant ce déplacement, un mouvement de translation oscillant dont la fréquence est proportionnelle à la différence des vitesses de rotation uJ a et ujm. Le 20 mouvement de chaque tige 20 est transmis par sa crémaillère 21 et par la denture 19 à l'aube 2 associée, de sorte que celle-ci est animée d'ion mouvement de pivotement oscillant autour de son axe YY'. Cette disposition permet, en donnant aux surfaces de came complémentaires 22, 22a une conformation 25 convenable, de faire osciller les aubes en phase les unes avec les autres. La fréquence des oscillations étant proportionnelle à la différence des vitesses de rotation vw a et a?m, il est possible, en commandant le dispositif moteur 25 par un procédé 30 analogue à celui qui a été décrit plus haut en regard de la figure 1, de régler cette fréquence en fonction des paramètres de fonctionnement du compresseur. Dans le mode de réalisation des figures 4 et 5? où les éléments jouant le même rôle que sur la figure 2 sont dé-35 signés par les mêmes références, chaque aube 2 est encore montée dans la roue 1 au moyen de trois rangées de billes 3. Dans le pied 27 de chaque aube 2 est pratiqué radialement un alésage taraudé 28 dans lequel se visse l'extrémité filetée 29fi d'une tige 29 qui est montée coulissante dans un alésage 40 ic_ pratiqué radialement dans la roue 1 en regard de l'alésage 71 06496 6 2126109 taraudé 28. La tige 29 est coudée à angle droit au voisinage de son autre extrémité, pour former un doigt 29b, parallèle à l'axe XX' du compresseur. L'extrémité de ce doigt 29b est pourvue d'un roulement à billes 30 qui est engagé dans une 5 rainure annulaire 31 pratiquée dans un plateau 32 solidaire de 1'arbre 24. La rainure annulaire 31 est excentrée par rapport à l'axe XX' de sorte que, quand l'arbre 24 est entraîné en rotation par le dispositif moteur 25 à une vitesse u/m différen-10 te de la vitesse de rotation tu a de l'arbre 18, chacune des tiges 29 oscille en translation dans son alésage 30 avec une amplitude égale à 1 ' excentrement e_ de la rainure 31 et une fréquence proportionnelle à la différence tu a- ujm. Le tarau-dage 28 et le filetage 29a ont un très grand pas de façon à 15 former un vissage réversible qui transforme les oscillations en translation des tiges 29 en oscillations de pivotement des aubes 2. La fréquence de ces oscillations est encore proportionnelle à la différence ^a - tu m et leur amplitude est proportionnelle à 1 ' excentrement e_ de la rainure annulaire 31. 20 II va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. En particulier 1'excentrement _e de la rainure annulaire 31 pourrait être réglable, ce 25 qui permettrait de régler aussi l'amplitude des oscillations des aubes. Bien que les modes de réalisation décrits se rapportent à un compresseur axial, on ne sortirait pas non plus du cadre de l'invention en imprimant un mouvement oscillant aux 30 aubes d'un ou plusieurs étages d'une turbomachine d'une autre espèce, par exemple d'une turbine. 71 06496 7 2126109 REVENDICATIONS 1. Un perfectionnement consistant à imprimer des oscil lations aux aubes d'une grille d'aubes formant un étage de tur-bomachine pour améliorer le rendement de l'étage. 5 2. Un perfectionnement selon la revendication 1, dans lequel on règle la fréquence ou 1'amplitude des oscillations, ou leur fréquence et leur amplitude, en fonction d'un ou plusieurs paramètres de fonctionnement de l'étage tels que sa vitesse de rotation et les pressions en amont et en aval de l'état 10 ge. 3- Un compresseur axial caractérisé par des moyens pour imprimer à chacune des aubes d'une grille d'aubes formant un étage du compresseur des oscillations autour d'un axe de pivotement radial. 15 4. Un .compresseur selon la revendication 3, caractérisé par un dispositif réglant la fréquence ou l'amplitude des oscillations, ou leur fréquence et leur amplitude, en fonction d'un au moins de deux paramètres représentant respectivement la vitesse de rotation du compresseur et la charge aérodynami— 20 que de 1'étage. 5. Un compresseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le paramètre représentant la vitesse de rotation du compresseur est la vitesse réduite N/ \j T. 6. Un compresseur selon la revendication 4 ou la reven-25 dication 5, caractérisé en ce que le paramètre représentant la charge aérodynamique de l'étage est le rapport P2/P1 des pressions en aval et en amont de l'étage. 7. Un compresseur selon une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de réglage comprend 30 des moyens pour maintenir la fréquence ou l'amplitude des oscillations, ou leur fréquence et leur amplitude, au voisinage de valeurs optimales déterminées par des essais en fonction du ou des paramètres. 8. Un compresseur selon une quelconque des revendications 35 3 à 7, dans lequel la grille d'aubes forme un étage du rotor du compresseur, caractérisé en ce que la position de chacune desdites aubes autour de son axe de pivotement est liée à la position angulaire par rapport au rotor? d'un organe de commande qui est entraîné en rotation coaxialement à celui-ci, 40 de sorte que lesdites aubes oscillent à une fréquence proportionnelle à la différence des vitesses de rotation de cet organe et du rotor.