Brevet FR2520801A1 — publié le 19830805

Installation pour réduire les pertes de charge secondaires dans un canal d'écoulement à aubes, La présente invention concerne une instal- lation pour réduire les pertes de charge secondaires dans un canal d'écoulement à aubes d'une turbo-machine, avec une partie déformée qui se trouve respectivement entre deux aubes voisines dans la direction périphérique, sur au moins l'une des parois de canal, partie déformée qui s'étend le long de l'extrados de l'aube et à une certaine distance de l'intrados, et dont la zone maximale se trouve dans la partie arrière du canal, en descendant en continu dans la direction transversale. L'installation connue selon le brevet GB 1 132 259 de ce type est prévue dans un canal qui va en rétrécissant de son entrée jusqu'au point de rétrécissement se trouvant dans sa moitié arrière Le bombement qui s'y trouve est une partie déformée en cavité, avec une chute de section jusqu'à l'extrados, Par cette cavité, on augmente la section d'écoulement, ce aui augmente la pression statique et ainsi la différence entre les pressions statiques de l'extrados et de l'intrados au niveau du canal, c'est-à-dire réduit la perte de charge transversale De telles pertes de charges secon- daires ou pertes de charges marginales, ou encore tourbillons marginaux dans le canal, sont entre autre provoquées par le fait que la couche laminaire qui pénètre dans le canal et qui se forme sur les parois du canal tcouches de frottement voisines de la paroi) et qui est entra Inée par la chute de pression transversale, arrive sur l Lextrados et cet écoulement transversal écoulement secondaire) de la couche laminaire, incliné par rapport à l'écoulement de base; augmente la couche limite de l'intrados Les tourblilons marginaux ainsi formés, influencent en particulier dans le cas d'aubes à faible allongement (rapport entre le carré de la longueur de l'aube et la surface de l'aube) de façon très Importante la qualité de la conversion énergétique Cette réduction de la chute de pression transversale réduit les tourbillons marginaux et pertes de charge secondaires, Or une cavité constitue un-inconvénient, car elle descend de façon convexe de l'entrée du canal jusqu'à sa zone maximale ou de plus grande profondeur qui se trouve au niveau de la zone étroite, arrière, mentionnée et ainsi le fluide qui est accéléré de l'entrée du canal jusqu'à cette zone étroite, est encore plus fortement accéléré. Ainsi, l'augmentation de pression engendrée par la cavité se limite pour l'essentiel à la zone étroite, si bien que l'augmentation de la section de passage engendrée par la zone la plus pr Qfonde de la cavité et le tracé concave à cet endroit de la cavité réduisent la vitesse, alors que le long de la zone d'accélération augmentée, mention- née ci-dessus, on a une plus forte chute de pression, ce qui augmente ainsi la chute de pression transversale correspondante La réduction de la chute de pression transversale ne s'obtient ainsi pour l'essentiel que dans la zone étroite qui est également relativement courte et de plus se trouve dans la moitié arrière du canal, on n'obtient ainsi qu'une réduction relativement faible des tourbillons secondaires ou des pertes de charge secon- daires Un autre inconvénient est que la cavité ne peut en général se réaliser à la profondeur souhaitée et celà pour des raisons de structure en particulier parce que les structures d'aube plates ou analogues N ont pas ilépatsseur nécessaire O Le brevet GB 944 166 décrit un turbocompres- seur dont la surface périphérique entre les aubes axiales adjacentes est partiellement bombé (déformation convexe) La partie bombée décrite dans ce document se trouve à priori dans la zone de l'intrados des aubes et passe vers l'aval, en un contour bombé vers linté- rieur par rapport à une surface de contour cylindrique. La présente invention a pour but d'obtenir dans la zone laminaire du canal, du côté de l Jextrados une réduction de la pression sur une zone plus longue s'étendant vers l'avant. A cet effet l'invention concerne une ins- tallation du type ci-dessus caractérisée en ce que la partie bombée est une partie bombée vers l'extérieur, qui monte de façon concave sur sa plus grande partie ou sur sa totalité, dans la direction d'écoulement du canal jusque dans sa zone maximale, et dont la chute part du côté de l'extrados. La partie bombée est ainsi une déformation convexe ou bossage qui va en montant dans le sens de l'écoulement dans le canal, jusqu'à la zone maximale, suivant un tracé au moins pour l'essentiel concave de façon à obtenir une courbure positive des lignes d'écou- lement et d'avoir des forces centrifuges et/ou perpendi- culaires à ces lignes, forces qui sont reçues par les augmentations de pression La pression augmentée peut s'établir à faible distance derrière le début de la montée concave Dans la zone de la paroi du canal du côté de l'extrados, on a sur une zone avant et/ou moyenne plus longue, une augmentation de la pression ou une réduction de la perte de pression transversale ou un affaiblissement de l'écoulement transversal et ainsi une plus grande réduction des tourbillons ou pertes de charge secondiares mentionnés ci-dessus, La zone derrière la montée de la partie bombée convexe est certe de peu d intéret, mais toutefois du fait de liaugmentation précédente de la pression,'il y règne une pression rela- tivement élevée O En outre, la partie bombée peut toujours avoir la hauteur souhaitée. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la partie bombée est courbée de façon convexe dans la direction de passage du canal, de façon adjacente à cette montée c'est-à-dire dans la zone maximale, puis présente une partie descendaite notamment concave. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, un canal ayant une zone étroite se trouvant dans sa partie arrière, la montée arrive jusque sur ou derrière la zone de ce passage étroit o se trouve alors également la zone maximale. Suivant une autre caractéristique de l Vin- vention, la partie montante concave de la montée se trouve à l'avant. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, une partie montante droite est adjacente à cette partie et monte jusqu'à la zone maximale, Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la montée concave commence au voisinage de l'ex- trados au niveau de l'entrée du canal. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la chute transversale est en forme de S (c'est-à- dire tout d'abord convexe puis concave, en partant de l'extrados, droite ou seulement concave. En général, dans l'une des possibilités envisagées ci-dessus, c'est-àdire dans le cas d'une installation caractérisée en ce que pour un canal ayant une zone étroite se trouvant dans sa partie arrière, la montée arrive jusque sur ou derrière la zone de ce passage étroit o se trouve alors également la zone maximale-, e est prévu que la partie bombée est courbée de façon convexe dans la direction de passage du canal, de façon adja- cente à cette montée c'est-à-dire dans la zone maximale, puis présente une partie descendante notamment concave, Si la zone maximale est adjacente à une courbure longi- tudinale convexe et celle-ci est adjacente à une chute longitudinale notamment concave La chute longitudinale peut également être droite ou convexe Les avantages et effets de 1 invention tels que précisés ci-dessus existent en particulier lorsque comme indiquée le canal ayant une zone étroite se trouvant dans sa partie arrière, la montée arrive jusque sur ou derrière la zone de ce passage étroit o se trouve alors également la zone maxi- male. De plus, dans ce cas, l'augmentation de la pression, peut, grâce à un choix approprié de la forme longitudinale ou courbe de la montée concave, aboutir à une pression qui transforme la décélération qui se présente normalement en aval de la zone étroite, en une accélération Le fluide qui est moins accéléré vers la zone étroite du fait de la montée concave, continue d'être accéléré c'est-à-dire qu'il est accéléré en continu de la zone d'entrée jusqulà la zone de sortie du canal. Les pertes qui dans d'autres conditions sont liées à la décélération mentionnée ci-dessus, sont ainsi réduites, Il en résulte une amélioration complémentaire du rendement, en plus de l'amélioration de rendement obtenu par la réduction des pertes de charge secondaires. Les effets et avantages de l'invention apparaissent en particulier dans le cas des autres carac- téristiques énoncées ci-dessus Ainsi la zone d'augmenta- tion de pression commence déjà très loin en avant, c'est-à-dire déjà au niveau de l'entrée du canal En particulier, la partie bombée ou la chute longitudinale se termine au niveau de la sortie du canal Pour la chute transversale, on procède en général de façon que cette chute transversale se présente sous la forme d un S soit droite ou soit seulement concave, La partie bombée vers liextérieur peut également modifier la forme de la chute transversale, dans la direction longitudinale. L'invention est appliquée de préférence sur des turbomachines en particulier les turbines axiales, mais peut également s'appliquer à des turbomachines à écoulement radial En outre, l invention suapplique à des couronnes d'aubes directrices ou/et couronnes d'aubes de rotor. La présente invention sera décrite à l'aide de différents exemples de réalisation, de canaux d'écou- lement à passage axial, dessins dans lesquels la figure 1 est une vue de dessus schéma- tique d'un canal d'écoulement entre deux aubes axiales voisines d'un rotor; la figure 2 est une vue en perspective d'un rotor de turbine à aubes axiales et dont la surface périphérique est réalisée selon l'invention; la figure 3 montre le plan normal sous- tendu entre les lignes radiales F et G du plan normal de la figure 2 passant par le canal d'écoulement délimité par deux aubes voisines; la figure 4 est une coupe méridienne de la base du canal d'écoulement selon la ligne IV-IV de la figure 2; la figure 5 est une coupe comme à la figure 4 correspondant à la ligne V-V de la figure 2; la figure 6 est une vue en perspective de détail d'un aubage directeur à aubes axiales dont la surface périphérique intérieure est réalisée selon l'in- vention, Une paroi cylindrique 10 de canal présente entre deux aubes 1 i voisines dans la direction périphé- rique et ayant un faible allongement, une partie bombée 13. La partie bombée 13 a été représentée de façon exagérée pour apparaître plus clairement, Pour faciliter la compréhension, la vue selon la figure 1 de l'aube inférieure il montre un segement de la paroi cylindrique du canal tel que cette paroi apparaît dans les modes de réalisation connus, c'est-à-dire sans partie bombée 13 On obtient ainsi la courbe de coupe représentée en pointillé entre lin- trados de l'aube inférieure 11 et la paroi cylindrique du canal La partie bombée 13 s'étend le long de l'extrados 14 de l'aube supérieure il et ainsi à une certaine distance de l'intrados 15 de l'aube voisine La partie bombée 13 diminue en continu, dans la direction transversale à par- tir de l'extrados 14 (voir la flèche 16), et cela en forme de S Cette chute transversale indiquée par quatre lignes transversales de contour extérieur 26, 27, 28 partant de l'extrados 14 est tout d'abord convexe, puis concave. Cela s'applique pour l'essentiel à toutes zones de la partie bombée 13 Le canal entre les deux aubes 11 se rétrécie en continu de son entrée 21 jusqu'à la zone étroite indiquée par la ligne en pointillé 18 La section de passage de la zone étroite est sensiblement perpendi- culaire à l'extrados et passe par le bord de fuite 20 de l'aube 11 voisine. Cette section se trouve dans la moitié are rière du canal La forme de la surface supérieure de la partie bombée 13 dans le canal d'écoulement (flèche 17) est indiquée par trois lignes longitudinales de contour extérieures,"formées de trois segments 23, 24, 25: la partie bombée 13 donmence au voisinage de l)extrados 14 à faible distance derrière l'entrée 21 et s'étend en aval dans le canal d'écoulement, par rapport à l'extrados 14 pour pénétrer dans le canal (voir la ligne 19 en pointillé). Le maximum de la partie bombée 13 se trouve au niveau de la section d'écoulement de passage étroit 18 La partie bombée 13 monte d'abord de façon concave (segment 23) puis dans cette zone maximales entre le milieu transversal de contours extérieurs 27 et 29, la partie bombée 13 est courbée de façon convexe (segment 24)> puis la ligne descend de façon concave jusqu'à la sortie 23 (segment 25 >. Dans la partie la plus large dans la direction transver- sale 16, la partie bombée 13 présente sa zone maximale mentionnée Le début de la partie bombée sur la paroi de canal 10 est représenté par la ligne en pointillé 19 Ce contour va sensiblement du bord d'attaque de l aube 14 jusquvenviron au milieu de la sortie 22 Le long de ce contour, on a une transition continue entre la partie bombée 13 et la partie cylindrique de la paroi de canal 10. Par contre, l'extrados 14 de l'aube 11 forme une arête avec la partie bombée 13 De faibles arrondies sont toute- fois acceptables. Le rotor de turbine représenté en perspective à la figure 2 montre pour faciliter la compréhension, trois aubes axiales 11 fortement agrandies par rapport à la périphérie du rotor et entre lesquelles se forme chaque fois un canal d'écoulement qui est réalisé selon l'inven- tion avec une partie bombée dans la surface périphérique du rotor 9 Toutes les références désignent les mêmes éléments que la figure 1 Les hachures de la surface périphérique du rotor 9 au niveau de la partie bombée 13 ont pour but de souligner le tracé de la partie bombée 13 dans l'espace Entre les deux aubes supérieures 11, on a indiqué la section de passage étroit 18 par un tracé en pointillé; il en résulte que dans le mode de réalisation représenté, le maximum de la partie bombée 13 se trouve en aval de la section de passage étroit. Le plan normal 30 de la figure 2 se trouve dans le plan de la figure 3 de sorte que l'intersection entre ce plan normal et la surface périphérique du rotor 9 donne le contour de base 28 du canal d'écoulement entre les aubes voisines 11 Ce contour 28 présente une partie bombée convexe qui forme une arête avec l ex- trados 14 de l'aube 11, alors qu'elle forme une transition toujours concave avec la partie cylindrique de la surface périphérique du rotor 9 En variante le contour de la partie bombée peut également avoir une forme concave sur toute sa longueur,sans point d'inflexion ou ligne d'inflexion Un tel contour 28 ' est représenté entre les lignes radiales H et J à la figure 3. Les coupes méridiennes du rotor de la tur- bine, telles que représentées aux figures 4 et 5 montrent que la partie bombée 13 n'existe qu'au niveau de l'ex- trados des aubes et non au niveau de l'intrados. L Uaubage directeur représenté en perspective à la figure 6 est un exemple montrant que la réalisation selon l'invention d'un canal d'écoulement peut se faire non seulement à l'aide d'une partie bombée de la surface périphérique du rotor de turbine, mais également par une partie bombée de la surface périphérique intérieure du bottier de l'aubage directeur En conséquence, on a utilisé à la figure 6 des références analogues aux figures 1 et 2, complétées par un " " L'écoulement dans l'aubage directeur est représenté par des flèches. REVENDICATIONS 1 î Installation pour _rédulze les pertes de charge secondaires dans un canal d'écoulement à aube d-une turbo machine, avec une partie déformée qui se trouve res- pectivement entre deux aubes voisines dans la direction périphérique, sur au moins lune des parois de canal; partie bombée qui s'étend le long de l'extrados de l'aube, et à une certaine distance de l'lntrados, et dont la zone maximale se trouve dans la partie arrière du canal, en descendant en continu dans la direction transversale, installation caractérisée en ce que la partie déformée est une partie bombée vers l'extérieur t 13), qui monte de façon concave sur sa plus grande partie ou sur sa totalité, dans la direction d'écoulement (i 7) du canal jusque dans sa zone maximale, et dont la chute part du côté de lextrados ( 14). 2 ) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie bombée ( 13) est courbée de façon convexe ( 24) dans la direction de passage du canal ( 17), de façon adjacente à cette montée ( 23) c'està-dire dans la zone maximale, puis présente une partie descendante ( 25) notamment concave. 3:) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que pour un canal ayant une zone étroite ( 18) se trouvant dans sa partie arrière, la montée ( 23) arrive jusque sur ou derrière la zone de ce passage étroit ( 18) ou se trouve alors également la zone maximale, ) Installation selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, caractérisée en ce que la partie montante concave de la montée ( 23) se trouve à l'avant. 51) Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'une partie montante droite est adjacente à cette partie, et monte jusquà la zone maxi- male. il 6 O Installation selon lune quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la montée concave ( 23) commence au voisinage de lextrados ti 4; au niveau de 11 entrée ( 21) du canal. 7 > Installation selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisée en ce que la cnute transversale est en forme de S (c 5 est-à-dire tout d'abord convexe puis concave, en partant de liextrados ( 14), droite ou seulement concave.