Brevet FR2534641A1 — publié le 19840420

i * 2534641 Aube de rotor ou stator pour compresseur axial L'invention a trait à une aube pour rotor ou stator de compresseur axial, qui peut par exemple être un compres- seur d'un moteur à turbine à gaz. Il est évidemment souhaitable que ces compresseurs soient aussi efficaces que possible, et qu'ils soient capables de fonctionner dans un large domaine de conditions sans rencontrer de problèmes de résonnance ou de calage Un des facteurs qui a défavorablement affecté les performances de ces compresseurs englobe l'existence des flux dits secon- daires Ces flux ne suivent pas le trajet normal prévu dans le compresseur et au lieu de cela s'étendent radialement vers le haut ou vers le bas des aubes, ou circonférentiel- lement le long des parois interne ou-externe du compresseur annulaire. L'effet de ces flux est de produire une superposition des couches limites à divers endroits, et on a trouvé que cette superposition abaisse la marge de résonnance du compresseur. Ceci est clairement indésirable. Pour que ces flux secondaires existent, des gradients de pression radiale doivent exister le long des aubes, et ces gradients de pression radiale sont produits par l'interac- tion entre les profils et la couche limite sur les parois interne et externe de l'anneau d'écoulement du compresseur. On a apprécié qu'en concevant les profils des aubes et des ailettes pour prendre en compte ces couches limites, il est possible de réduire ou d'éviter la production des gra- dients de pression radiale, réduisant ainsi ou évitant les flux secondaires et leurs effets indésirables. Conformément à la présente invention, une aube pour rotor ou stator d'un compresseur axial comprend un profil ayant -2- au moins une partie extrême prévue avec une variation dans la section du profil, telle que cela assure un volume de travail constant par unité de longueur de profil sur au moins la plus grande partie de la couche limite dans laquelle il est plongé en fonctionnement. On appréciera que ceci implique que chaque partie extrême mentionnée produira aussi une force de levée constante par unité de longueur sur toute la profondeur de la cou- che limite, et que le changement de tourbillon produit par unité de longueur du profil dans cette région varie en raison inverse de la vélocité axiale du fluide. De préférence les sections de profil formant l'aube sont empilées autour de leurs centres de poussée plutôt qu'au- tour de leurs centres de gravité qui est la manière clas- sique. Pour obtenir le maximum d'avantages, l'aube doit avoir ses deux parties extrêmes interne et externe conçues con- formément à la présente invention. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exem- ple non limitatif en regard des dessins ci-joints et qui fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur les dessins, la figure 1 est une vue schématirue r'une T Dartie cl'un compresseur axial, et la figure 2 est un diagramme de triangles de vecteurs pour les sections 2-2 et 3-3 d'une aube de rotor du com- presseur de la figure 1, les traits pleins représentant les valeurs en 2-2 dans le flux libre et les traits inter- rompus représentant les valeurs en 3-3 dans la couche limite pourune aube formée selon l'invention. 3. La figure 1 représente schématiquement un compresseur axial typique comportant une enveloppe extérieure 10 défi- nissant la limite extérieure d'un anneau de flux et un tambour de rotor intérieur 11 définissant la limite inté- rieure de l'anneau- L'aubage du compresseur comprend une série d'ailettes de guidage d'entrée marquée G V suivie par quatre séries d'ailettes statiques marquées Si à 54. Toutes ces ailettes statiques sont supportées par l'enve- loppe extérieure statique 10. Les aubes de rotor comprennent quatre séries d'aubes Rl à R 4, montées sur le tambour de rotor 11 et alternant avec les séries du stator de sorte que Rl est placée entre G V et Si et ainsi de suite. Dans l'ensemble, le -fonctionnement du compresseur est clas- sique et n'est pas décrit ici Cependant, on appréciera que les diverses surfaces du compresseur en contact avec le gaz auront des couches limites formées sur elles, ces couches étant particulièrement notables sur les surfaces de contact des gaz de l'enveloppe 11 et du tambour 12. Si un gradient quelconque de pression radiale était pro- voqué par l'interaction entre l'aubage et la couche limite, la couche limite tendrait à migrer en formhant des régions de plus grande épaisseur Dans ces régions, il y a une plus grande probabilité de séparation de flux, et par suite, l'apparition de résonnance ou d'une autre instabilité dans le compresseur est accélérée Il est donc désirable d'éviter dans la couche limite l'asymétrie provoquée par la migra- tion de la couche (dite "flux secondaire"). Les flux secondaires dans la couche limite ne peuvent être mûs que par des différences de pressions radiales; par suite, si ces différences de pression sont réduites ou éliminées, les flux secondaires seront aussi réduits ou éliminés et les couches limites sur les parois de l'anneau -4- pourront rester symétriques ou sensiblement symétriques. Dans la présente invention, les profils de l'aubage sont dessinés pour obtenir cet équilibre des pressions radiales. On appréciera que s'il n'y a pas de gradients de pression radiale, la poussée produite par chaque section du profil sera la même puisque la poussée est la sommation des diffé- rences de pression sur la section et l'absence de gradients de pression radiale implique que les éléments de la somma- tion restent constants La poussée sur un élément section- nel peut être définie comme A Fr = m A Vw (i) o m est le débit masse de gaz sur l'élément, et A Vw est la variation de vélocité tourbillonnaire du gaz s'écoulant sur l'élément. Le débit masse m est proportionnel à la vélocité axiale Va du débit, donc: m = K Va (ii) o K est une constante. Par substitution dans (i) ci-dessus, on a AFT = K Va A Vw (iv) Comme AFT doit être le même pour tous les éléments du profil, - on peut donc dire tour deux éléments quelconques désianés par les suffixes 1 et 2, Val A Vwl = 7 a 2 A Vw 2 (v) r u Val/Va 2 = AVW 2/A Vwl - (vi) exprimé verbalement, la variation du tourbillon obtenue par chaque section de l'aube doit être inversement propor- tionnelle à la vélocité axiale Bien entendu cette vélocité axiale variera sur la hauteur du profil principalement en raison de la couche limite. Cette relation simple, prise avec le traitement classique des écoulements dans un compresseur axial, permet de déter- miner les paramètres-du profil en séquence dans tout le compresseur Ainsi, prenant les ailettes de guidage d'entrée et le premier étage de rotor comme exemple, et en se réfé- rant aux triangles de vecteurs de la figure 2, la vélocité de tourbillon normale aux ailettes de guidage de sortie (c'est-à-dire sur la section 33) sera définie comme Vwpgv (la présence du suffixe p indiquant que c'est un paramètre à courant libre) La valeur de Vwgv tourbillon à la sortie des ailettes de guidage à la section 2-2 dans la-région affectée par la couche limite peut être calculée à partir de l'équation (vi) ci-dessus. Donc, de (vi) l'on tire A Vwg__v = Yap (vii) A Vwpgv Vap Supposons que le tourbillon d'entrée aux ailettes de gui- dage est zéro, on meut remplacer Vw par Vw dans les deux cas, et de là Vwov = y V Vap viii) Va Comme le profil de vélocité axiale dans la couche limite est connu théoriquement ou empiriquement, la valeur de Vwgv peut être calculée pour chaque élément du profil et donc la variation de l'angle de cambrure du profil de l'ai- lette de guidage déterminée On voit sur la figure 2 cue Va est inférieur à Vap et que ceci implique un accroisse- ment de Vwgv. Pour l'entrée aux aubes du rotor, la vélocité relative du tourbillon d'entrée Vw rel peut être en relation avec U, la vitesse des aubes, et avec Vwgv, le tourbillon à la sortie des ailettes de guidage, comme suit: Vwirel = U Vwgv (ix) (voir figure 2). -6- et par substihutior avec (viii) Vwlrel = U Wwpgv zap Va (x) Ceci permet de calculer la variation des angles d'entrée des aubes du rotor. Pour les conditions de sortie du rotor, on peut voir dans (vii) qjie v Vwrel = A Vwprel x Va (xi) Va ou Vwlrel Vw 2 rel = A Vwprel x Vap (xii) Va donc, de (x) Vw 2 rel = U-VwpgvVap / Vwprel Vap (xiii) Va Va et la variation de l'angle de sortie est définie. Le tourbillon d'entrée au stator suivant est simplement Vw 3st = U-Vw 2 rel = Vwpgv Vap+ A Vwprel Va_ (xiv) Va Va et le tourbillon de sortie de ce stator est Vw 4st = Vw 3st A Vwst (xv) et de (vii) L Vwst = L Vwpst Vap (xv) Va donc Vw 4st = Vwst L/Vwpst Vap Va = Vwpov Vap + A Vwprel Vap A Vwpst Vap Va Va Va (xvii) Normalement le tourbillon induit par le rotr est enlevé par le stator, et A Vwpst = L Vwprel (xviii) Ceci permet à (xvii) de devenir Vw 4st = Vwpgv Vap (xix) Va -253464 I -7- On verra que c'est le même que le tourbillon introduit par les ailettes de guidage d'entrée (voir (viii) ci-dessus). Il est clair que les conditions dans le second étage de rotor se répéteront, mais qu'il y aura une rotation nette imposée aux ailettes de guidage-d'entrée. De cette façon, la variation des angles d'entrée et de sortie de chaque étage de rotor et de stator peut être spécifiée Pour toute section de profil particulière, ceci permettra de spécifier la forme, et l'homme de l'art com- prendra que les autres paramètres des sections de profil, telles que le décalage et la déviation peuvent en être calculés. Dans un compresseur représentatif, les changements géomé- triques impliqués par cette conception comprennent un ac- croissement de la cambrure du rotor et du stator, mais une légère décroissance dans le décalage du rotor et un grand accroissement dans le décalage du stator La raison de ce résultat en apparence anormal est que la couche limite des ailettes de guidage d'entrée accroit le tourbillon, ce qui réduit le tourbillon d'entrée relatif du rotor et donne un angle de sortie du rotor moins grand Cependant, le tourbillon d'entrée des ailettes de guidage d'entrée qui apparait après le rotor -(voir {xix)) apparaît au stator comme un accroissement dans le tourbillon, et ainsi pour une charge donnée dans le tourbillon à travers le stator, l'angle de sortie s'agrandit Ainsi la réaction de couche limite est identique au courant principal puisque l'accrois- sement de pression statique-est le même que dans le rotor, mais pour obtenir ceci, les géométries du rotor et du stator diffèrent. On appréciera que la géométrie produite n'est pas applica- ble aux régions les plus internes de la couche limite, parce que comme Va tend vers O, diverses des autres vélocités If tendent vers l'infini En clair, il est nécessaire d'arrê- ter l'application précise de la théorie quand on s'appro- che des extrémités des profils, et on a trouvé que la varia- tion de la cambrure et du décalage dans la région de la couche limite est approximativement linéaire, et que cette linéarité peut avantageusement être prolongée dans les régions extrêmes. Une conséquence de l'application de cette théorie pour dessiner une aube ou une ailette est que des projections radiales significatives des profils peuvent être produites par les changements relativements importants dans les cam- brures et les décalages mis en jeu Ceci pourrait produire des courants radiaux nuisibles à son propre droit et afin de minimiser cet effet, il peut être avantageux d'empiler les sections sur le profil autour de leurs centres de pous- sée plutôt qu'autour de leurs centres de gravité comme il est fait habituellement. On appréciera que les conditions de couche limite concer- nées par cette invention sont anplica Lles à la fois aux rî- gions de la base et du sommet des aubes et ailettes con- cernées du rotor et du stator Il est possible d'appliquer la présente invention aux conditions de base et/ou de som- met comme on le désire, bien qu'il soit clairement préfé- rable de l'appliquer à la fois à la base et au sommet. Il sera aussi compris qu'il peut n'être pas nécessaire d'appliquer l'invention à tous les étages d'un compresseur, et que le plus grand bénéfice est probablement à trouver dans les étages haute pression o l'épaisseur de la couche limite représente une plus grande proportion de la hauteur de l'aube ou de l'ailette. Des tests qui ont été effectués montrent qu'avec l'appli- cation de la présente invention, il est possible de réa- liser des compresseurs axiaux ayant une efficacité sensi- _ 9 _ blement accrue par rapport à l'art antérieur Ainsi dans des cas particuliers, l'efficacité a été accrue de 88,5 à 90 %. - Revendications 1 Aube de rotor ou stator pour compresseur axial compre- nant un profil, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une partie extrême prévue avec une variation dans la sec- tion du profil telle que cela assure un volume de travail constant par unité de longueur de profil sur au moins la plus grande partie de la couche limite dans laquelle il est plongé en fonctionnement. 2 Aube de rotor ou stator selon la revendication 1, carac- tériséeoen Tce que les sections de profil constituant l'aube sont empilées autour de leurs centres de poussée.