Brevet FR2559218A1 — publié le 19850809

La présente invention se rapporte,d'une manière générale, à des moteurs à turbine à gaz et elle a trait plus particuliè- rement, 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'aéro- dyne ont cherché à améliorer le rendement de leurs produits. Un des éléments du moteur que l'on a étudié à cette fin est 1O 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 compresseur. L'air à haute pression qui sort du compresseur est mélangé avec du combustible et ce mélange est brûlé dans une chambre de combustion. Les gaz de combustion éjectés se détendent ensuite dans une roue de turbine au moyen de laquelle un tra- vail 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 faitle 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 con- ditions de fonctionnement transitoires. Une autre solution consiste à anticiper les frottements en utilisant soit une bande érodable fixée à l'enveloppe soit une extrémité éro- dable fixée à chaque aube du rotor afin de permettre un cer- tain degré d'un frottement limité. Une autre technique pour réduire les fuites par dessus les extrémités des aubes a consisté à former un évidement ou saignée dans la paroi de l'enveloppe et à accroître la longueur 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 transi- tion brusque existe à la fois à l'extrémité avant et à l'ex- trémité arrière de chaque évidement. Par exemple, on connait des saignées ayant une section transversale rectangulaire dans lesquelles les régions de transition sont formées par des angles droits. Les résultats d'essai indiquent que de telles saignées ne peuvent assurer au mieux qu'un accroisse- ment 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 compresseur d'un moteur à turbine à gaz. La présente invention a ainsi pour objet un perfectionne- ment apporté à un compresseur d'une turbomachine à flux axial qui comporte une première pale rotative par rapport à une sur- face disposée radialement par rapport à elle et une seconde pale, disposée à l'arrière de la première pale et fixe par rapport à ladite surface. La surface limite un trajet d'écou- lement pour un fluide qui se déplace vers l'arrière. Le per- fectionnement consiste dans la réalisation d'un évidement s'étendant circonférentiellement dans la surface, disposé radialement par rapport à la première pale, avec un espace libre entre la première pale et la surface. L'évidement comporte une paroi qui fait face dans l'ensemble à l'arrière, une paroi dirigée dans l'ensemble axialement 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'opposant à l'écoulement vers l'avant du fluide dans l'es- pace libre. La paroi qui fait face à l'avant est orientée de façon à former une transition aérodynamique lisse et non génératrice de turbulence 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'a- vant fait un angle inférieur à 10 avec la surface de l'enve- loppe. - La suite de la description se réfère aux figures annexées 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 et d'une aube de stator du compresseur 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 et d'une aube de rotor du compresseur et d'une pa- roi 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 ap- plication à un moteur à turbine à gaz. On a représenté sur la Fig. 1 une partie du compresseur 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 comporte une sé- rie de pales ou aubes 19 fixes par rapport à l'axe 16. Un trajet d'écoulement 20 permettant le refoulement d'air s'é- tend axialement à travers le compresseur. Le trajet d'écoule- ment est limité par une enveloppe extérieure ou carter 22 qui comporte une surface 24 orientée radialement vers l'inté- rieur 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 80 d'aube. L'enveloppe extérieure 22 entoure circon- férentiellement chacune des grilles 12 d'aubes de rotor. Un jeu de tolérance ou espace libre 50 doit étremaintenu entre les bouts 80 des aubes rotatives et l'enveloppe extérieure fixe 22 afin d'empêcher un frottement entre eux. Il est évident que chaque aube mobile 18 est rotative par rapport à la surface 24 disposée radialement par rapport à celle exactement 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 sur- face 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'accroit. 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 intrados 54 et un extrados 56. La pression exercée sur la surface 54 est plus élevée que celle exercée sur la surface 56. La ten- dance de l'air à plus haute pression de s'écouler par l'es- pace libre 50 représenté sur la Fig. 2, jusqu'à la région de plus basse pression, comme représenté par la flèche 58, sur la Fig. 3,contribue aux pertes sous la forme d'un tour- billon engendré dans l'espace libre en bout d'aube, formé au voisinage de l'extrémité radialement extérieure du bout 6 2 559218 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'aubes 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, une aube fixe 19 de stator et l'enveloppe extérieure 22 d'un com- presseur selon un mode de réalisation de la présente inven- tion. Dans l'enveloppe extérieure ou carter 22 est formé un évidement ou saignée 72 qui est disposé radialement par rap- port à l'aube mobile 18 et à l'aube fixe 19. L'évidement 72 comprend une paroi 74 orientée dans l'ensemble vers l'ar- rière, une paroi 76 orientée dans l'ensemble vers l'avant et une paroi 78 dirigée dans l'ensemble axialement. Dans le mode de réalisation représenté, la paroi 76 orientée dans l'ensemble vers l'arrière est approximativement normale à la surface 24 orientée vers l'intérieur. La paroi 76 orientée vers l'avant fait un angle aigu alpha ( a) avec la surface 24. La paroi 78 dirigée axialement intersecte la paroi 74 à un point 82, à l'avant de l'aube mobile 18,et intersecte la paroi 76 à un point 84,à l'arrière de l'aube mobile 18. La configuration représentée sur la Fig. 2 est destinée à créer un changement brusque entre la surface 24 de l'enve- loppe et la paroi 74, à leur intersection 86,et une transi- tion sans à-coup ou relativement lisse et régulière entre la paroi 76 et la surface 24 de l'enveloppe, à leur intersec- tion 88. On estime que la brusque transition produite à l'in- tersection 86 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 74 qui sert à réduire à une valeur minimale l'écoule- ment vers l'avant d'air provenant du tourbillon 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 76 à la surface 24,à leur intersection 88, permet une transition aérodynamiquement non génératrice de turbulence du courant d'air qui s'écoule à partir de l'évidement 72 jusqu'au trajet d'écoulement 20. Il apparaitra maintenant clairement aux spécialistes de la technique que diverses configurations de l'évidement 72 sont possibles pour satisfaire à ces conditions. Par exemple, la paroi 76 peut former diverses courbes relativement lisses qui forment une transition sans à-coup avec la surface 24 à l'intersection 88. Dans le mode de réalisation représenté sur la Fig. 2, la paroi 76 forme une courbe qui est une ligne approximativement droite qui fait un angle d'intersection al- pha (&) avec la surface 24 de l'enveloppe. Dans un mode de réalisation préféré, l'angle " est, en général, égal ou inférieur à 10 . Cependant, cet angle dépend de la profon- deur de l'évidement 72,de la distance axiale entre les points 84 et88 etde laconfiguration géométrique de la paroi 76. Dans un mode de réalisation préféré, le bout 80 d'aube a une forme géométrique conforme à celle de la paroi 78. Ainsi, le bout 80 suit une ligne droite approximativement parallèle à la paroi 78. Par conséquent, tous les points du bout 80 sont situés à la même distance radiale de la paroi 78. On peut avantageusement utiliser des bouts d'aube classiques, ce qui réduit l'importance de l'usinage qui serait sinon né- cessaire pour profiler le bout 80. Ceci permet de maintenir un espace libre constant en bout d'aube lorsque l'aube mobile 18 est l'objet de fléchissements axiaux. 8 -2559218 On comprendra que le positionnement-radial et axial des bouts 80 des aubes mobiles par rapport à l'évidement 72 change au cours du fonctionnement du moteur pendant que l'aube mobile 28 fléchit, se déforme élastiquement sous l'action de la force centrifuge ou est l'objet d'une dilata- tion thermique différentielle par rapport à l'enveloppe 22. La Fig. 2 représente un mode de réalisation préféré et montre la disposition dans laquelle les bouts 80 des aubes sont si- tués par rapport à l'évidement 72 pendant le fonctionnement en régime stabilisé. Les dimensions critiques dans cette con- dition de fonctionnement sont la distance axiale 49 entre l'aube mobile 18 et la paroi 74 et la distance radiale ou espace libre 50 en bout d'aube entre l'extrémité 80 et la paroi 78. 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 permettre la dilatation différentielle pendant les périodes de fonction- nement transitoires du moteur. Conformément au mode de réali- sation préféré, cette distance est d'approximativement de 0,10% du diamètre de la grille 12 d'aube 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 la paroi 74 ou78 de l'évidement 72 et/ou n bout érodable sur l'aube mobile 18. Dans les deux cas, on peut modifier les distances 50 et/ou 49,comme il est connu dans la tech- nique. Selon une autre caractéristique de la présente invention, 9 2559218 représentée sur les Fig. 1 et 5, un évidement 90 est formé dans la surface 28 orientée radialement vers l'extérieur de la paroi intérieure 26 et décalé radialement par rapport à la grille 14 d'aubes de stator et par rapport à la grille 12 d'aubes derotor. Comme dans le cas de l'évidement 72 de l'enveloppe, l'évidement 90 est délimité par trois parois 92, 94 et 96. La paroi 92 est orientée dans l'ensemble vers l'arrière et elle présente un changement abrupt avec la sur- face 28 à leur intersection 98. La paroi 96 est orientée dans l'ensemble vers l'avant et présente un changement relati- vement régulier avec la surface 28 à leur intersection 100. La paroi 94 dirigée dans l'ensemble axialement intersecte la paroi 92 à un point 102-, à l'avant de la grille 14 d'aubes de stator et intersecte la paroi 96 à un point 104, à l'ar- rière de la grille d'aubes du stator. 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 région de plus basse pression. La Fig. 4 représenté un tel déplace- ment de l'air par la flèche 70. Les diverses configurations de l'évidement 72,telles que décrites cidessus,s'appliquent également à l'évidement 90. Il est évident que l'on pourrait réaliser des compres- seurs ne comportant que les évidements 72 formés dans l'enve- loppe extérieure 22, ne comportant que les évidements 90 formés dans la paroi intérieure 26 ou comportant des évide- - 2559218 ments à la fois dans l'enveloppe 22 et dans la paroi 26 ayant la même configuration ou des configurations différentes. Il apparaitra clairement aux spécialistes de la technique que la présente invention n'est pas limitée aux modes de réa- lisation 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 paroi inté- rieure ayant la configuration rectiligne représentée' ici. Au contraire, toute configuration géométrique d'une paroi orientée vers l'arrière qui empêche l'écoulement vers l'a- vant de l'air à partir du tourbillon formé dans l'espace libre en bout d'aube et permet une bonne sépartion de l'air de la couche limite et toute configuration géométrique d'une ou de parois orientées vers l'avant qui assure une transi- tion lisse et régulière dans le trajet d'écoulement 20 entrent dans le cadre de la présente invention. On comprendra que les dimensions et les relations de proportionnalité et de structures représentées sur 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 re- présentée sur la Fig. 1 est destinée à illustrer les rela- tions qui existent entre une pale relativement rotative, une pale relativement fixe, une surface disposée radialement et 1' évidement formé dans cette surface. Le trajet d'écoulement et les surfaces délimitant le trajet d'écoulement de l'en- veloppe extérieure et de la paroi intérieure ou moyeu sont alignées axialement avec l'axe 16 du moteur. Cependant, dans de nombreuses applications, ces surfaces etcestrajets d'écou- lement 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 mo- teur, soit au trajet d'écoulement soit à une surface du tra- jet d'écoulement. On peut réaliser de nombreuses modifications etvariantes et utiliser de nombreux équivalents complets ou partiels sans sortir du cadre ni s'écarter de l'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 première pale (18 ou 19) rotative par rapport à une surface (24 ou 28) disposée radialement par rapport à elle et une seconde pale (19 ou 18) disposée à l'arrière de la première pale et fixe par rapport à cette surface, cette surface délimitant un trajet d'écoulement (20) pour un fluide s'écoulant vers l'arrière, caractérisé en ce qu'il comporte: un évidement (72 ou 90) s'étendant circonférentiellement for- mé dans ladite surface (24 ou 28) et disposé radialement par rapport aux première et seconde pales (18,19 ou 19, 18), avec un espace libre entre la première pale et ladite surface; l'évidement comportant une paroi (74 ou 92) faisant face dans l'ensemble à l'arrière, une paroi (78 ou 94) dirigée dans l'ensemble axialement et une paroi (76 ou 96) faisant face dans l'ensemble à l'avant, la paroi faisant face à l'ar- rière étant orientée de façon à former une barrière qui s'op- pose 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 gé- nératrice de turbulence depuis l'évidement jusqu'au trajet d'écoulement (20). 2 - Un compresseur (10) d'une turbomachine à flux axial qui comporte une première pale (18 ou 19) rotative par rap- port à une surface (24 ou 28) disposée radialement par rap- port à elle et une seconde pale (19 ou 18)disposée à l'ar- rière de la première pale et fixe par rapport à cette surface, cette surface délimitant untrajet d'écoulement(20)pour un fluide s'écoulant vers l'arrière,caractérisé ence qu'il com- porte:un évidement(72 ou 90)s'étendant circonférentiellement formé dans ladite surface(24 ou 28)et disposé radialement par rapport aux première et seconde pales (18, 19 ou 19, 18); l'évidement comportant une paroi (74 ou 92)qui fait face dans l'ensemble à l'arrière, une paroi (78 ou 94) dirigée dans l'ensemble axialement et une paroi (76 ou 96)qui fait face dans l'ensemble à l'avant; la paroi qui fait faceà l'arrière étant approximativement normale à la surface (24 ou 28) et la paroi qui face face à l'avant faisant un angle (a) dans l'ensemble inférieur à 100 avec ladite surface. 3 - Compresseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi (78 ou 94) dirigée axialement intersecte la paroi (74 ou 92) qui fait face à l'arrière à un point (82 ou 102) situé à l'avant de la première pale (18 ou 19) et inter- secte la paroi (76 ou 96) qui fait face à l'avant à un point (84 ou 104) situé à l'arrière de la première pale. 4 - Un moteur à turbine à gaz ayant une aube mobile (18) de compresseur et une aube fixe (19) de compresseur située axia- lement à l'arrière de l'aube mobile et une enveloppe annu- laire (22), l'enveloppe délimitant un trajet d'écoulement (20) pour un courant d'air qui se déplace vers l'arrière, l'enveloppe entourant circonférentiellement l'aube mobile et l'aube fixe et ayant une surface (24) orientée radialement vers l'intérieur, caractérisé en ce qu'un évidement (72) s'é- tendant circonférentiellement est formé dans ladite surface (24), cet évidement étant disposé radialement par rapport à l'aube mobile et à l'aube fixe, avec un espace libre entre l'aube mobile et la surface, cet évidement comportant une paroi (74) qui fait face dans l'ensemble à l'arrière, une paroi (78) dirigée dans l'ensemble axialement et une paroi (76) qui fait face dans l'ensemble à l'avant, la paroi qui fait face à l'arrière étant orientée de façon à former une barrière qui s'oppose à l'écoulement vers l'avant de l'air dans l'espace libre et la paroi qui fait face à l'avant étant orientée de façon à former une transition aérodyna- miquement non génératrice de turbulence depuis l'évidement jusqu'au trajet d'écoulement (20). - Un moteur à turbine à gaz ayant une aube mobile (18) de compresseur, une aube fixe (19) de compresseur et une enveloppe annulaire (22) entourant circonférentiellement la- dite aube mobile et ladite aube fixe, l'enveloppe ayant une surface (24) radialement orientée vers l'intérieur, caracté- risé en ce qu'il comporte: un évidement (72) s'étendant circonférentiellement formé dans ladite surface, cet évidement ayant une paroi (74) qui fait face dans l'ensemble à l'ar- rière, une paroi (78) dirigée dans l'ensemble axialement et une paroi (76) qui fait face dans l'ensemble à l'avant, la paroi qui fait face à l'arrière étant approximativement nor- male à la surface de l'enveloppe et la paroi qui fait face à l'avant faisant un angle dans l'ensemble inférieur à 10 avec la surface de l'enveloppe. 6 - Moteur à turbine à gaz selon la revendication 4, carac- térisé en ce que la paroi (78) dirigée axialement intersecte la paroi (74) qui fait face à l'arrière à un point (82) situé à l'avant de la première pale (18) et intersecte la paroi (76) qui fait face à l'avant à un point (84) situé à l'arrière de la première pale.