Brevet FR2559217A1 — publié le 19850809

La présente invention se rapporte d'une manière géné- rale, à des moteurs à turbine à gaz et elle a trait, plus particulièrement, à des moyens appropriés pour réduire les pertes dues aux jeux de tolérance aux extrémités des aubes mobiles des compresseurs. Par suite de l'accroissement des prix des combustibles pendant les années 1970, les concepteurs de moteurs d'aérQ- dyne ont cherché à améliorer le rendement de leurs produits. Un des éléments du moteur que l'on a étudié à cette fin est le compresseur. Essentiellement, le compresseur est composé d'un certain nombre de disques de compresseur portant des aubes qui tournent à grande vitesse et accroissent la pres- sion d'un courant d'air qui s'écoule à travers le compres- seur. L'air à haute pression qui sort du compresseur est mélangé avec un combustible et est brûlé dans une chambre de combustion. Les gaz de combustion éjectés se détendent dans une roue de turbine au moyen de laquelle un travail est extrait du courant de gaz éjectés. Le courant d'air à travers le compresseur peut être divisé en deux régions générales -- la région d'écoulement le long des parois d'extrémité au voisinage à la fois de l'enveloppe et du moyeu o les effets de la couche limite visqueuse et les effets des extrémités des aubes mobiles/ aubes fixes dominent et la région d'écoulement centrale dans la partie centrale du compresseur o les effets précités sont petits ou négligeables. Environ 50% de la totalité des pertes du compresseur se produisent dans la région des pa- rois d'extrémité. Une condition qui contribue à ces pertes et réduit, de ce fait,le rendement du compresseur est provoquée par l'es- pace libre qui existe normalement entre l'extrémité d'une aube mobile du compresseur et l'enveloppe environnante dans la région de la paroi d'extrémité. L'air qui est comprimé par l'aube tournante a tendance à s'écouler en retour ou à fuir au-dessus de l'extrémité du rotor par cet espace libre ce qui provoque un tourbillon dans l'espace en bout d'aube. Ce tourbillon interagit avec la couche limite adjacente à la paroi de l'enveloppe et produit une perte en bout d'aube. La solution classique utilisée pour limiter ces fuites a consisté à réduire le jeu de tolérance entre les extrémités des aubes du rotor et l'enveloppe environnante. Cependant, l'enveloppe du compresseur de même que les aubes mobiles du compresseur se dilatent radialement pendant les périodes de fonctionnement du moteur. Pour éviter le contact entre les aubes mobiles et l'enveloppe, il faut laisser un jeu de tolé- rance suffisant pendant le fonctionnement normal du moteur pour permettre la dilatation différentielle pendant les condi- tions de fonctionnement transitoires. Une autre solution con- siste à anticiper les frottements en utilisant soit une bande érodable fixée à l'enveloppe soit une extrémité érodable fixée à chaque aube du rotor afin de permettre un certain de- gré de frottement limité. Une autre technique pour réduire les fuites par-dessus des extrémités des aubes a consisté à former un évidement ou saignée dans la paroi de l'enveloppe et à accroître la lon- gueur des aubes mobiles du rotor de façon qu'elles soient pratiquement alignées avec la paroi d'origine de l'enveloppe. De tels évidements peuvent recevoir les extrémités des aubes du rotor pendant certaines périodes ou pendant toutes les périodes de fonctionnement du moteur. La région de transi- tion entre l'enveloppe du compresseur et l'évidement est typiquement caractérisée par un brusque changement par rap- port à la paroi lisse de l'enveloppe. Cette région de tran- sition brusque existe à la fois à l'extrémité avant et à l'extrémité arrière de chaque évidement. Par exemple, on connait des saignées ayant une section transversale rectan- gulaire dans lesquelles les régions de transition sont for- mées par des angles droits. Les résultats d'essai indiquent que de telles saignées ne peuvent assurer au mieux qu'un accroissement marginal du rendement et que,dans certaines conditions,elles provoquent, en fait, une diminution des performances. La présente invention a notamment pour buts: - de réaliser un nouvel évidement perfectionné dans une enveloppe de compresseur; - de réaliser un nouvel évidement perfectionné dans une enveloppe de compresseur qui réduise les pertes en bout d'aube du compresseur; - de réaliser de nouveaux moyens perfectionnés pour amé- liorer le rendement aérodynamique du compressseur d'un moteur à turbine à gaz. La présente invention a ainsi pour objet un perfection- nement apporté à un compresseur d'une turbomachine à flux axial qui comporte une pale rotative par rapport à une sur- face disposée radialement par rapport à elle. La surface li- mite un trajet d'écoulement pour un fluide qui se déplace vers l'arrière. Le perfectionnement consiste dans la réali- sation d'un évidement s'étendant circonférentiellement dans la surface disposé radialement par rapport à la pale, avec un espace libre entre eux. L'évidement comporte une paroi qui fait face dans l'ensemble à l'arrière et une paroi qui fait face dans l'ensemble à l'avant. La paroi qui fait face à l'arrière est orientée de façon à former une barrière s'op- posant à l'écoulement vers l'avant du fluide dans l'espace libre. La paroi qui fait face à l'avant est orientée de fa- çon à former une transition aérodynamiquement sans turbu- lence depuis l'évidement jusqu'au trajet d'écoulement. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la paroi de l'évidement qui fait face à l'arrière est approxi- mativement normale à la surface. La paroi qui fait face à l'avant fait un angle inférieur à 10 avec la surface de l'enveloppe. La suite de la description se réfère aux figures an- nexées qui représentent, respectivement: Fig. 1: une vue d'une partie d'un compresseur d'un moteur à turbine à gaz selon un mode de réalisation de la présente invention; Fig. 2: une vue plus détaillée d'une aube de rotor du com- presseur et de l'enveloppe adjacente du mode de réalisation représenté sur la Fig. 1; Fig. 3: une vue prise suivant la ligne 3-3 de la Fig. 1; Fig. 4: une vue prise suivant la ligne 4-4 de la Fig. 1; Fig. 5: une vue plus détaillée d'une aube de stator du com- presseur et d'une paroi intérieure adjacente du mode de réalisation représenté sur la Fig. 1. La présente invention peut être utilisée dans le com- presseur d'une quelconque turbomachine à flux axial. Aux fins de l'illustration on décrira l'invention dans son applica- tion à un moteur à turbine à gaz. On a représenté sur la Fig. 1 une partie du compres- seur 10 d'un moteur à turbine à gaz qui comporte des grilles 12 d'aubes de rotor et des grilles 14 d'aubes de stator. Chaque grille 12 d'aubes de rotor comporte une série de pales ou aubes mobiles 18 qui peuvent tourner autour de l'axe 16 du moteur. Chaque grille 14 d'aubes de stator com- porte une série de pales ou aubes 19 fixes par rapport à l'axe 16. Un trajet d'écoulement 20 permettant le refoule- ment d'air s'étend axialement à travers le compresseur. Le trajet d'écoulement est limité par une enveloppe extérieure ou carter 22 qui comporte une surface 24 orientée radiale- ment vers l'intérieur et par une paroi intérieure ou moyeu 26 qui comporte une surface 28 orientée radialement vers l'extérieur. Chaque aube 18 de rotor comporte une extrémité radialement extérieure ou bout 30 d'aube. L'enveloppe exté- rieure 22 entoure circonférentiellement chacune des grilles 12 d'aube de rotor. Un jeu de tolérance ou espace libre 50 doit être maintenu entre les bouts 30 des aubes rotatives et l'enveloppe extérieure fixe 22 afin d'empêcher un frotte- ment entre eux. Il est évident que chaque aube mobile 18 est rotative par rapport à la surface 24 disposée radialement par rapport à elleexactement comme chaque aube fixe 19 est rotative par rapport à la surface 28 disposée radialement par rapport à elle. En outre, l'aube fixe 19 est fixe par rapport à la surface 24 tandis que l'aube mobile 18 est fixe par rapport à la surface 28. Lorsque les aubes mobiles 18 tournent autour de l'axe 16, l'air du trajet d'écoulement 20 est déplacé d'une manière générale vers l'arrière. En même temps, l'air est comprimé lorsqu'il franchit chacune des grilles 12 d'aubes de rotor de sorte que sa pression s'accroît. Par conséquent,-une ré- gion 32 de plus haute pression est formée à l'arrière de chaque grille 12 d'aubes de rotor par rapport à la région 34 de plus basse pression située à l'avant de cette grille 12. Comme représenté sur la Fig. 3, chaque aube mobile 18 qui tourne dans le sens indiqué par la flèche 52 a un intra- dos 54 et un extrados 56. La pression exercée sur la sur- face 54 est plus élevée que celle exercée sur la surface 56. La tendance de l'air à plus haute pression de s'écouler par l'espace libre 50, représenté sur la Fig. 2, jusqu'à la ré- gion de plus basse pression, comme représenté par la flèche 58 sur la Fig. 3, contribue aux pertes sous la forme d'un tourbillon engendré dans l'espace libre en bout d'aube, for- mé au voisinage de l'extrémité radialement extérieure du bout 30 de l'aube mobile 18. Un fait qui contribue au problème des pertes réside en ce que la couche limite voisine de la surface 24 orientée radialement vers l'intérieur se déplace dans l'ensemble vers l'arrière et interagit avec l'air qui a tendance à s'écouler vers l'avant à travers l'espace libre 50 en bout d'aube. On estime que la présente invention empêche le mouvement vers l'avant du courant s'écoulant dans l'espace libre 50 en bout d'aube tout en permettant un passage non entravé du courant principal qui s'écoule vers l'arrière. La Fig. 2 représente une aube mobile 18 de rotor et l'enveloppe extérieure 22 d'un compresseur selon un mode de réalisation de la présente invention. Dans l'enveloppe extérieure ou carter 22 est formé un évidement ou saignée 38 qui entoure circonférentiellement les bouts 30 des aubes. L'évidement 38 est délimité par des première et seconde parois 40 et, respectivement, 42 qui s'intersectent. Dans le mode de réalisation représenté, la paroi 40 est orientée approximativement vers l'arrière et est à peu près normale à la surface 24 orientée vers l'inté- rieur. La seconde paroi 42 est orientée dans l'ensemble vers l'avant et elle forme une surface courbe régulière et lisse entre son intersection 44 avec la paroi 40 et son intersec- tion 46 avec la surface 24. La configuration représentée sur la Fig. 2 est destinée à créer un changement brusque entre la surface 24 de l'enve- loppe et la première paroi 40, à leur intersection 48, et une transition sans à-coup ou relativement lisse et régulière entre la seconde paroi 42 et la surface 24 de l'enveloppe, à leur intersection 46. On estime que la brusque transition produite à l'intersection 48 assure une bonne séparation de l'air de la couche limite s'écoulant vers l'arrière de la surface 24 tout en établissant en même temps une barrière constituée par la paroi 40 qui sert à réduire à une valeur minimale l'écoulement vers l'avant d'air provenant du tour- billon formé dans l'espace libre en bout d'aube. On estime, en outre, que la transition régulière ou sans à-coup de la seconde paroi 42 à la surface 24 à leur intersection 46 per- met une transition aérodynamiquement sans turbulence du courant d'air qui s'écoule à partir de l'évidement 38 jus- qu'au trajet d'écoulement 20. Il apparaitra maintenant clairement aux spécialistes de la technique que diverses configurations de l'évidement 38 sont possibles pour satisfaire à ces conditions. Par exemple, la seconde paroi 42 peut former diverses courbes relative- ment lisses formant une transition sans à-coup avec la sur- face 24 à l'intersection 46. Dans le mode de réalisation re- présenté sur la Fig. 2, la paroi 42 forme une courbe qui est une ligne approximativement droite qui fait un angle d'inter- section alpha (î1 avec la surface 24 de l'enveloppe. Dans un mode de réalisation préféré, l'angle îest, en général, égal ou inférieur à 10 . Cependant, l'anglea dépend de la longueur 51 de l'évideraient 38, telle que mesurée de l'intersection 48 à l'intersection 46, de la profondeur 53 de l'évidement 38 et de la forme géométrique de la paroi 42. Les bouts 30 des aubes peuvent être profilés de façon à être géométriquement similaires à la courbe de la seconde paroi 42. Par exemple, dans le mode de réalisation de la Fig. 2, le bout 30 de l'aube mobile s'étend suivant une ligne droite approximativement parallèle à la paroi 42. Ainsi, tous les points de ce profil sont situés approximativement à la même distance radiale de la paroi 42. On comprendra que le positionnement radial et axial des bouts 30 des aubes par rapport à l'évidement 38 change au cours du fonctionnement du moteur pendant que l'aube mo- bile 18 fléchit et se déforme élastiquement sous l'action de la force centrifuge ou est l'objet d'une dilatation thermique différentielle par rapport à l'enveloppe 22. La Fig. 2 repré- sente un mode de réalisation préféré et montre la disposi- tion dans laquelle les bouts 30 des aubes sont situés par rapport à l'évidement 38 pendant le fonctionnement en régime stabilisé. Les dimensions critiques dans cette condition de fonctionnement sont la distance axiale 49 entre l'aube mobile 18 et la première paroi 40 et la distance radiale ou espace libre 50 en bout d'aube entre l'extrémité 30 et la seconde paroi 42. La distance 49 dépend de plusieurs facteurs y com- pris la matière et la géométrie de l'aube. Dans un mode de réalisation préféré, la distance 49 est de l'ordre de 10% de l'espacement circonférentiel des aubes. La distance 50 est également une fonction de la matière et de la géométrie des aubes. En général, cette distance est choisie pour per- mettre la dilatation différentielle pendant les périodes de fonctionnement transitoires du moteur. Conformément au mode de réalisation préféré, cette distance est d'approxi- mativement de 0,10% du diamètre de la grille 12 d'aubes du rotor. Il apparaitra clairement aux spécialistes de la tech- nique que l'on peut modifier les distances 49 et 50 en fonc- tion de l'application particulière sans sortir du cadre de la présente invention. Il entre également dans le cadre de la présente invention d'utiliser un revêtement érodable sur les parois 42 et/ou 40 de l'évidement 38 et/ou un bout éro- dable sur l'aube mobile 18. Dans les deux cas-, on peut mo- difier les distances 50 et/ou 49 comme il est connu dans la technique. Selon une autre caractéristique de la présente inven- tion, représentée sur les Fig. 1 et 5, un évidement 60 est formé dans la surface 28 orientée radialement vers l'exté- rieur de la paroi intérieure 26 et décalé radialement par rapport à la grille 14 d'aubes de stator. Comme dans le cas de l'évidement 38 de l'enveloppe, l'évidement 60 est délimité par des première et seconde parois 62 et 64 qui s'intersectent. La paroi 62 est orientée dans l'ensemble vers l'arrière et présente un changement abrupt avec la surface 28 à leur intersection 66. La paroi 64 est orientée dans l'en- semble vers l'avant et présente une transition relativement régulière avec la surface 28 à leur intersection 68. Bien que la grille 14 d'aubes fixes de stator ne se dé- place pas, sa relation avec la paroi intérieure 26 est sem- blable à la relation qui existe entre la grille 12 d'aubes mobiles de rotor et l'enveloppe extérieure 22. Chacune des grilles comporte une rangée de pales qui tournent par rapport à une surface disposée radialement. En outre, l'air qui s'é- coule vers l'arrière à travers chaque grille est l'objet d'une élévation de pression. Il en résulte que l'air a ten- dance à se déplacer vers l'avant par dessus l'extrémité de la pale depuis une région de plus haute pression vers une ré- gion de plus basse pression. La Fig. 4 représente un tel dé- placement de l'air par la flèche 70. Les diverses configurations de l'évidement 38,telles que décrites cidessus,s'appliquent également à l'évidement 60. Il est évident que l'on pourrait réaliser des compres- seurs ne comportant que les évidements 38 formés dans l'en- veloppe extérieure 22, ne comportant que les évidements 60 formés dans la paroi intérieure 26 ou comportant des évide- ments à la fois dans l'enveloppe 22 et dans la paroi 26, ayant la même configuration ou des configurations diffé- rentes. Il apparaitra clairement aux spécialistes de la tech- nique que la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation spécifiques que l'on a décrits et représentés ici. L'invention n'est pas non plus limitée aux évidements formés dans l'enveloppe ni aux évidements formés dans la pa- roi intérieure ayant la configuration rectiligne représentée ici. Au contraire, toute configuration géométrique d'une pa- roi orientée vers l'arrière qui empêche l'écoulement vers l'avant de l'air à partir du tourbillon formé dans l'espace libre en bout d'aube et permet une bonne séparation de l'air de la couche limite et toute configuration géométrique d'une ou de parois orientées vers l'avant qui assure une transition lisse et régulière dans le trajet d'écoulement 20 entrent dans le cadre la présente invention. On comprendra que les dimensions et les relations de proportionnalité et de structures représentées dans les des- sins n'ont été données qu'à titre d'exemple et que ces des- sins ne doivent pas être considérés comme représentant les dimensions ou les relations de proportionnalité et de struc- tures effectives utilisées dans les évidements d'enveloppe de compresseur de la présente invention. Il est bien entendu que la partie 10 du compresseur représentée sur la Fig. 1 est destinée à illustrer les rela- tions qui existent entre une pale rotative par rapport à une surface disposée radialement par rapport à cette pale et à l'évidement formé dans cette surface. Le trajet d'écoule- ment 20 et les surfaces délimitant le trajet d'écoulement de l'enveloppe extérieure et de la paroi intérieure ou moyeu sont alignés axialement avec l'axe 16 du moteur. Cependant, dans de nombreuses applications, ces surfaces et ces trajets d'écoulement peuvent être inclinés par rapport à l'axe du moteur. Ainsi, les termes et expressions,tels qu'"axial" et "dirigé axialement",dans le sens o ils sont utilisés ici définissent une direction approximativement parallèle soit à l'axe du moteur, soit au trajet d'écoulement soit à une surface du trajet d'écoulement. On peut réaliser denombreuses modifications,variantes et utiliser de nombreux équivalents complets.ou partiels sans sortir du cadre ni s'écarter del'esprit de l'invention telle que définie par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1 - Un compresseur (10) d'une turbomachine à flux axial qui comporte une pale (18, 19) rotative par rapport à une sur- face (24, 28) disposée radialement par rapport à elle, cette surface délimitant un trajet d'écoulement (20) pour un fluide s'écoulant vers l'arrière, caractérisé en ce qu'il comporte: un évidement (38, 60) s'étendant circonférentiellement formé dans ladite surface (24, 28) et disposé radialement par rap- port à la pale (18, 19) avec un espace libre entre eux, 1'é- videment comportant une paroi (40, 62) faisant face dans l'ensemble à l'arrière et une paroi (42, 64) faisant face dans l'ensemble à 1' avant, la paroi faisant face à l'arrière étant orientée de façon à former une barrière s'opposant à l'écoulement vers l'avant du fluide dans l'espace libre et la paroi faisant face à l'avant étant orientée de façon à former une transition aérodynamiquement non génératrice de turbulence depuis l'évidement jusqu'au trajet d'écoulement (20). 2 - Un compresseur (10) d'une turbomachine à flux axial qui comporte une pale (18, 19) rotative par rapport à une sur- face (24, 28) disposée radialement par rapport à elle, cette surface délimitant un trajet d'écoulement(20) pour un fluide s'écoulant vers l'arrière, caractérisé en ce qu'il comporte: un évidement (38, 60) s'étendant circonférentiellement formé dans ladite surface (24, 28) et disposé radialement par rap- port à la pale (18, 19) avec un espace libre entre eux; l'é- videment comportant une paroi (40, 62) faisant face dans l'ensemble à l'arrière et une paroi (42, 64) faisant face dans l'ensemble à l'avant, la paroi faisant face à l'arrière étant approximativement normale à ladite surface (24, 28) et la paroi faisant face à l'avant faisant un angle (C) dans l'ensemble inférieur à 10 avec ladite surface. 3 - Un moteur à turbine à gaz ayant une aube mobile (18) de compresseur et une enveloppe annulaire (22), l'enveloppe dé- limitant un trajet d'écoulement (20) pour un courant d'air qui se déplace vers l'arrière, l'enveloppe entourant circon- férentiellement l'aube mobile et ayant une surface (24) orientée radialement vers l'intérieur, caractérisé en ce qu'une évidement circonférentiel (38) est formé dans ladite surface (24) dans une disposition radiale par rapport à l'aube mobile (18) avec un espace entre eux, l'évidement comportant une paroi (40) faisant face dans l'ensemble à l'arrière et une paroi (42) faisant face dans l'ensdmble à l'avant, la paroi (40) faisant face à l'arrière étant orien- tée de façon à former une barrière qui s'oppose à l'écoule- ment de l'air vers l'avant dans ledit espace libre et la pa- roi (42) faisant face à l'avant étant orientée de façon à former une transition aérodynamiquement non génératrice de turbulence depuis l'évidement (38) juqu'au trajet d'écoule- ment. 4 - Un moteur à turbine à gaz qui comporte une aube de com- presseur rotative (18) et une enveloppe annulaire (22), qui entoure circonférentiellement l'aube, l'enveloppe ayant une surface (24) orientée radialement vers l'intérieur, caracté- - risé en ce qu'un évidement circonférentiel (38) est formé dans ladite surface, cet évidement comportant une paroi (40) faisant face dans l'ensemble à l'arrière et une paroi (42) faisant face dans l'ensemble à l'avant, la paroi (40) fai- sant face à l'arrière étant approximativement normale à la surface (24) de l'enveloppe et la paroi (42) faisant face à l'avant faisant un angle ( o) dans l'ensemble inférieur à 10 avec la surface de l'enveloppe. 5 - Un moteur à turbine à gaz qui comprend un disque (26) de rotor muni d'un aubage pour déplacer un courant d'air dans l'ensemble vers l'arrière, le disque de rotor compor- tant une série d'aubes (18),chaque aube ayant une extrémité (30) radialement extérieure, et une enveloppe annulaire (22) qui entoure circonférentiellement le disque et comporte une surface (24) orientée radialement vers l'intérieur qui dé- limite un trajet d'écoulement (20),caractérisé en ce qu'un évidement circonférentiel (38) est formé dans ladite sur- face 124),cet évidement étant délimité par des première et seconde parois (40, 42) qui s'intersectent, la première pa- roi (40) étant approximativement normale à la surface (24) de l'enveloppe et étant orientée vers l'arrière. G - Moteur à turbine à gaz selon la revendication 5, carac- térisé en ce que la seconde paroi (42) est orientée de fa- çon à former une transition aérodynamique non génératrice de turbulence depuis l'évidement (38) jusqu'au trajet d'écoule- ment (20). 7 - Moteur à turbine à gaz selon la revendication 6, caracté- risé en ce que la seconde paroi (42) s'étend suivant une ligne approximativement droite qui fait un angle d'intersec- tion (") avec la surface (24) de l'enveloppe dans l'ensemble inférieur à 10 . 8 - Moteur à turbine à gaz selon la revendication 5, caracté- risé en ce que l'extrémité (30) radialement extérieure de chaque aube (18) comporte un bout profilé, ce profil- étant géométriquement similaire à ' évidement (38) de sorte que la distance radiale de tous les points du profil à la se- conde paroi est sensiblement la même.