Brevet FR2564533A1 — publié le 19851122

2S64533 AGENCEMENT POUR LE CONTROLE DES "POMPAGES" DANS UN COMPRESSEUR AXIAL. La présente invention concerne des moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement des compresseurs axiaux pour de tels moteurs. Le moteur Rolls-Royce Gem 4 est un exemple de moteur à turbine à gaz auquel l'invention est applicable. Quel que soit le type de conception d'un compresseur, le gaz qui s'écoule autour des ailettes a tendance à dégéné- rer en de violentes turbulences, ce qui détruit la configura- tion d'écoulement en douceur à travers le ou les étages. Il est courant que l'écoulement de gaz à travers le compresseur se détériore, et le gaz bloqué forme un espace annulaire de gaz sous pression tournant rapidement, situé au-dessus des embouts d'un étage ou d'un corps de compresseur. En cas d'interruption complète de l'écoulement dans tous les étages du compresseur, de sorte que ces derniers sont tous "bloqués", il se produit un "pompage" ou à-coup de fonctionnement du compresseur. Le passage d'un "blocage" à un "pompage" peut être tellement rapide ou selon le cas tellement faible que les vibrations ou dégradations des caractéristiques d'accéléra- tion ou de décélération qu'il provoque ne sont pas remarquées, ou selon le cas ne sont que légères. Un blocage plus impor- tant du compresseur est indiqué par une augmentation de la température du gaz de la turbine, ainsi que par la vibration du compresseur; le compresseur "tousse". Un "pompage" est mis en évidence par un claquement ("bang") plus ou moins important du compresseur, ainsi que par une augmentation de la température du gaz de la turbine. La valeur de débit d'air et de rapport de compression à laquelle apparaît un "pompage" est appelée "point d'amor- çage de "pompage". Ce point constitue un élément caractéris- tique de chaque régime de fonctionnement du compresseur, et la ligne qui rejoint tous les points d'amorçage de pompage, qu'on appelle la courbe d'amorçage de pompage (voir la fi- gure 1), définit le débit d'air stable minimal qui peut être obtenu à n'importe quelle vitesse de rotation. Un compres- seur est conçu de manière à disposer d'une bonne marge de sécurité (zone A) entre le débit d'air et le rapport de compression auxquels il sera normalement utilisé (courbe de fonctionnement) et le débit d'air et le rapport de compression auxquels apparaîtra un pompage. Pour qu'un étage de compresseur fonctionne de manière satisfaisante, on sait que cet étage, de même que les étages adjacents, doivent être appariés avec soin. Or, chaque étage possède ses propres caractéristiques d'écoulement d'air. I1 est donc extrêmement difficile de concevoir un compresseur qui fonctionne de manière satisfaisante pour une large plage de conditions de fonctionnement, telles que celles rencon- trées par un moteur d'avion. Afin d'assurer le fonctionnement efficace du moteur sur une large plage de vitesses, et afin de maintenir la marge de sécurité susmentionnée, il est nécessaire d'emplo- yer un système de contrôle du débit d'air. Le principe de ce système consiste habituellement à évacuer de l'air de compression provenant d'un étage intermédiaire soit à l'air libre, soit, dans le cas d'un réacteur à double flux, dans le conduit de dérivation. Le montant d'air soutiré du com- presseur peut être contrôlé par des soupapes à commande mé- canique, électrique ou hydraulique qui sont ouvertes quand les rapports de compression sont bas,et fermée quand le moteur est employé à des rapports plus élevés. Des exemples de telles soupapes sont présentés dans les brevets anglais 1.223.490 et 1.104.007, ainsi que dans la publication "The Jet Engine" ("le moteur à réaction") de la firme Rolls-Royce. Lorsque les soupapes sont ouvertes, l'écoulement d'air à travers le corps "haute pression" diminue, tandis que l'é- coulement d'air à travers les étages précédents augmente. Ceci empêche le blocage des étages d'entrée, face à une fai- ble vitesse axiable de l'air, et on empêche ainsi l'appari- tion d'un pompage. Idéalement, il faudrait, afin de maintenir une marge de sécurité consistante entre la courbe de fonctionnement et la courbe d'amorçage de pompage, que le montant d'air soutiré du compresseur soit progressivement diminué, tandis que le débit massique à travers le compresseur augmente. Dans la pratique, il est très difficile de réaliser une fermeture progressive de la soupape de soutirage: les soupapes tendent à être soit entièrement ouvertes, soit en- tièrement fermées, sans position significative entre ces deux extrêmes. La brusque fermeture de la soupape de soutirage a un effet dramatique sur la courbe de fonctionnement du com- presseur: le débit massique augmente, le rapport de com- pression augmente également, et la marge de sécurité entre la courbe de fonctionnement et la courbe d'amorçage de pom. page est réduite de manière importante. Afin de maintenir une marge de sécurité adéquate entre ces deux courbes, il est nécessaire de faire fonctionner la soupape de soutirage à une valeur de débit massique plus élevée que celle qui serait souhaitable, ce qui entraîne une perte importante de rendement du compresseur. Une autre solution possible au problème consiste à remplacer la soupape de soutirage par un façonnage du car- ter du compresseur consistant à former un ou plusieurs évi- dements dans la surface cylindrique interne adjacente aux embouts de rotors. Des façonnages typiques sont présentés dans le brevet US 4.239. 452, dans le brevet US 4.238.170, dans les Notes Techniques de la Nasa TN D-6538, ainsi que dans les publications 75-GT-95 et 75-GT-13 de 1'A.S.M.E. (Association américaine des ingénieurs en mécanique). De tels façonnages ont pour effet d'augmenter le rap- port de compression pour tout débit massique donné auquel apparaît effectivement un pompage. En conséquence, la cour- be de fonctionnement du compresseur peut être réorientée par rapport à la courbe d'amorçage de pompage, de sorte que le compresseur a un rendement plus efficace qu'un compresseur non façonné à des débits massiques élevés, tout en continuant à maintenir une marge de sécurité adéquate entre la courbe de fonctionnement et la courbe d'amorçage de pompage à des débits massiques plus faibles. Afin d'obtenir une augmenta- tion notable du rapport de compression auquel apparaît du pompage, il est nécessaire d'employer des géométries de fentes compliquées; ces dernières peuvent être coûteuses et complexes à réaliser et à introduire sous forme de modi- fication à un compresseur existant, et elles peuvent en outre entraîner une perte de puissance. Le moteur Gem 4 est une version perfectionnée du moteur Gem 2, avec un débit massique augmenté de 15% par rapport à ce dernier; il est employé dans des hélicoptères tels que le "Westland Aircraft Lynx", et les modèles dérivés de ce dernier. Etant donné l'augmentation du débit massique, de l'air est soutiré du compresseur au moyen d'une soupape de souti- rage contrôlée par fluide. Cette soupape est conçue pour fonctionner à une valeur de couple moteur (Tq) prédéterminée, afin d'assurer le fonctionnement sans pompage du moteur à de faibles puissances. On a constaté que pour des hélicoptères fonctionnant avec un poids total réduit, la soupape de purge fonctionne pendant le décollage. Sur des hélicoptères équipés de deux moteurs jumelés, on se demande si le défaut d'appariement qui apparaît entre les niveaux de puissance des moteurs lorsque la soupape d'un moteur se ferme avant la soupape de l'autre moteur, est imputable au fait que le pilote fait face à une défaillance de moteur ou de système de contrôle ou au mouvement de la soupape de soutirage. Ce doute entrai- ne à son tour que l'on ne sait pas s'il faut ou non inter- rompre le décollage. Le problème énoncé ci-dessus peut être par exemple surmonté en réduisant le rapport de compression auquel fonctionne la soupape de soutirage, de sorte que la soupape soit entièrement fermée pendant le décollage. Malheureusement, pour les raisons énoncées plus haut, il est impossible de réduire le rapport de compression auquel fonctionne la soupape de soutirage sans entraîner un risque de pompage du compresseur, ce qui est à l'évidence un effet indésira- ble. Une autre possibilité consiste à remplacer la soupape de soutirage par un façonnage du carter du compresseur similaire à celui décrit plus haut, et ainsi de réorienter la courbe de fonctionnement par rapport à la courbe d'amorçage de pompage, afin d'obtenir du compresseur les meilleures performances possibles. Malheureusement,pour les raisons énoncées plus haut, il faudrait effectuer un façonnage du carter d'une complexité considérable avant que la nouvelle courbe de fonctionnement soit capable d'attein- dre les mêmes caractéristiques de performance à des valeurs de débit massique aussi élevées que celles atteintes par la courbe de fonctionnement d'un compresseur doté d'une soupape de soutirage. Comme on l'a déjà mentionné, de tels façonnages compliqués du carter sont coûteux, complexes à réaliser et à introduire comme modification d'un compres- seur existant, et ils peuvent en outre entraîner une perte de puissance; de tels inconvénients sont tous indésirables. Il est clair que, prises individuellement, ni une soupape de soutirage, ni un façonnage du carter ne consti- tuent des solutions suffisamment souples pour résoudre le problème posé sans avoir des conséquences défavorables tant en matière de perte de performances que de coûts. La présente invention a pour objectif de fournir une solution au problème posé qui minimise les inconvénients connus, tout en continuant à assurer un bénéfice apprécia- ble en matière de souplesse d'utilisation. La solution pro- posée consiste à ajouter au compresseur, en plus de la sou- pape de soutirage, une forme simplifiée de façonnage du carter, de sorte que le point de fonctionnement de la sou- pape de soutirage peut être ramené à une valeur prédéter- née de couple moteur plus faible, ce, afin d'assurer que la soupape de soutirage soit fermée au décollage, et d'évi- ter ainsi tout défaut d'appariement entre les réglages de puissance des moteurs. Le façonnage simplifié assure une légère augmentation du rapport de compression auquel appa- raît du pompage,et ce notamment à des valeurs de débit mas- sique faibles; ceci est suffisant pour permettre de réduire le point de fonctionnement de la soupape de soutirage sans qu'apparaisse du pompage. La description qui suit montre plus en détail un exem- ple de réalisation de l'invention, en se référant au dessin annexé. Ce dessin montre: à la figure 1 un graphique du rapport de compression en fonction du débit massique, présentant une marge de sécu- rité typique entre la courbe d'amorçage de pompage et la courbe de fonctionnement du compresseur; à-la figure 2 une élévation latérale d'un moteur à turbine à gaz avec une vue éclatée d'une partie du carter du compresseur, présentant sous forme schématique un exem- ple de réalisation de la présente invention; à la figure 3 une vue agrandie de la zone de l'embout du rotor du premier étage du compresseur présenté schémati- quement à la figure 2; à la figure 4 un graphique du rapport de compression du moteur (PR) en fonction du débit massique (MF), pour un moteur Gem 2 dépourvu tant de soupape de soutirage que de façonnage du carter du compresseur. On peut y voir claire- ment la courbe d'amorçage de pompage (A), la courbe de fonctionnement (B) et la courbe caractéristique de blocage (C) du rotor du premier étage. La figure 5 enfin est un graphique du rapport de com- pression du moteur en fonction du débit massique, pour un moteur Gem 4 doté conformément à l'invention à la fois d'une soupape de soutirage et d'une forme simplifiée de façonnage du carter du compresseur. L'effet du façonnage du carter sur la courbe d'amorçage de pompage (E) est illustré au moyen de la courbe (H), tandis que l'effet de l'ouverture et de la fermeture de la soupape de soutirage sur la courbe de fonctionnement (F) est illustré aux points (F1,F2) et (F3, F4). En référence maintenant à la figure 2: un moteur à turbine à gaz (10) comprend, en série dans le sens d'écoule- ment, un compresseur basse pression (12), un compresseur haute pression (14), un équipement de combustion (16), une turbine haute pression (18), une turbine basse pression (20) et une tuyère d'échappement (22). Le compresseur basse pression (12) et la turbine basse pression (20), de même que le compresseur haute pression (14) et la turbine haute pression (18) sont respectivement montés avec possibilité de rotation sur des ensembles d'arbres disposés coaxialement (non figurés). La partie éclatée du carter du compresseur basse pression, désignée sous la référence (13), illustre schématiquement un exemple de réalisation de la présente invention. La figure 3 présente une vue en coupe plus détaillée de l'exemple de réalisation présenté schématiquement à la figure 2. Sur cette figure, une ailette (22) du compresseur basse pression est montée en une seule pièce sur un arbre (24) du compresseur basse pression, et une partie du carter (26) du compresseur basse pression s'étend radialement vers l'extérieur à partir de l'ailette (22) du compresseur basse pression. Le façonnage du carter consiste en cinq rainures formées dans le carter (26) du compresseur, rainures qui sont désignées sous la référence (28). Les rainures peuvent par exemple avoir chacune une profondeur de 1 mm et une largeur de 1 mm, et être disposées de manière à être sensi- blement perpendiculaires à l'axe du moteur, et espacées à égale distance les unes des autres le long du carter (26) du compresseur basse pression, au-dessus de l'ailette (22) du compresseur basse pression. La figure 3 montre également un conduit (30) prévu dans le carter (26) du compresseur, qui s'étend radialement vers l'extérieur d'une seconde ai- lette (32) située en aval du compresseur. Une soupape de soutirage (34), représentée schématiquement, qui est adja- cente-à l'embout de la seconde ailette (32) en aval du com- presseur, est employée pour contrôler le débit d'air soutiré du compresseur. Un dispositif d'actionnement de soupape (36) et un détecteur (38) de la vitesse de rotation du rotor, tous deux en soi connus, sont prévus respectivement pour ouvrir et fermer la soupape (34) et pour contrôler la vi- tesse.de rotation du rotor (24). La figure 4 est un graphique présentant le rapport de compression en fonction du débit massique pour le com- presseur d'un moteur Gem 2 ne présentant ni soupape de purge, ni façonnage du carter du compresseur. La courbe A représente la courbe d'amorçage de la pompe du compresseur, la courbe B représente la "courbe de fonctionnement" du compresseur, et la courbe C représente la courbe caracté- ristique de blocage du rotor du premier étage. Comme on l'a expliqué en détail plus haut, il est nécessaire de maintenir la courbe de fonctionnement (B) le plus près possible de la courbe d'amorçage de pompage (A), tout en conservant une marge de sécurité (zone D). On peut constater sur la figure 4 que, tandis que le débit massique à travers le compresseur augmente, la courbe d'amorçage de pompage et la courbe de fonctionnement s'éloignent l'une de l'autre, la conséquence en étant que le rendement du compresseur est réduit. Cette perte de rendement est encore plus importante sur le moteur Gem 4, car son débit massique est augmenté de % par rapport à celui du Gem 2; ceci a conduit à intro- duire une soupape de soutirage (34), en vue de maintenir la courbe de fonctionnement du compresseur (B) le plus près possible de la courbe d'amorçage de pompage du compresseur (A). La figure 5 est un graphique présentant le rapport de compression en fonction du débit massique du rotor du pre- mier étage du compresseur, pour un moteur Gem 4 doté à la fois d'une soupape de soutirage (34) et de la forme simplifiée (28) de façonnage du carter du compresseur. La courbe (E) représente la courbe d'amorçage de pompage, la courbe (F) la "courbe de fonctionnement", la courbe (G) la courbe caractéristique de blocage du rotor du premier étage, et la courbe (H) illustre l'effet du façonnage sim- plifié du carter du compresseur sur la courbe d'amorçage de pompage du compresseur. Lorsqu'on considère la courbe de fonctionnement (F), on peut voir nettement les caractéris- tiques du fonctionnement de la soupape de soutirage. Comme on l'a expliqué en détail plus haut, lorsque le débit mas- sique à travers le compresseur augmente et que la courbe de fonctionnement et la courbe d'amorçage de pompage s'é- loignent l'une de l'autre, la soupape de soutirage (34) est prévue pour se fermer entre les points (F1) et (F2) du graphique, et introduire ainsi une "marche" dans la courbe de fonctionnement, afin de la rapprocher de la courbe d'a- morçage de pompage. Tandis que le débit massique diminue, la soupape de soutirage s'ouvre entre les points (F3) et (F4), afin d'éviter que le compresseur ne fonctionne dans des conditions de pompage. Etant donné que la procédure d'ouverture et de fermeture de la soupape de soutirage présente une courbe caractéristique en escalier, il est actuellement impossible de réduire le point de réglage de la soupape de soutirage en-dessous d'une valeur prédéter- minée de couple moteur (Tq), sans risquer de rencontrer un problème de pompage. Comme l'illustre la courbe H du graphique, le fa- çonnage simplifié du carter du compresseur augmente le rapport de compression auquel apparaît du pompage, ce pour n'importe quel débit massique donné. Cet effet d'augmenta- tion est suffisant pour permettre l'abaissement du point de réglage de la soupape de soutirage à la valeur inférieure prédéterminée de couple moteur, et ce tout en maintenant une marge de sécurité entre la courbe d'amorçage de pompage et la courbe de fonctionnement du compresseur. A ce point 2564533- de réglage, on est assuré qu'au cours du décollage, la sou- pape de purge est fermée sur les deux moteurs, ce qui per- met d'éviter tout défaut d'appariement entre les niveaux de puissance des moteurs. Comme l'illustre la courbe G, un autre effet du fa- çonnage du carter est de modifier les caractéristiques de blocage du rotor du premier étage. L'invention telle que décrite ci-dessus offre un nou- vel avantage, à savoir en cas de défaillance de l'ailette du premier étage du compresseur basse pression. Les recher- ches entreprises ont indiqué que la contrainte due au flot- tement de l'ailette est engendrée par un débit massique inadéquat de la soupape de soutirage lorsqu'on se trouve aux conditions normales d'autorotation à puissance d'entraîne- ment nulle, ou à proximité de ces conditions. Cette contrain- te est suffisante pour entraîner-la rupture des ailettes, et peut amener à une défaillance des ailettes entraînant des effets secondaires très importants. Un moyen de résoudre ce problème consisterait à augmenter le débit de la soupape de soutirage. Toutefois, ceci aurait pour conséquence, comme on l'a décrit plus haut, d'augmenter le montant du défaut d'ap- pariement de couple entre-les moteurs.. L'utilisation de la présente invention permet d'augmenter suffisamment la courbe d'amorçage de pompage aux conditions zéro pour contrôler la contrainte de flottement de l'ailette afin de l'amener à une valeur inférieure à ce qui est nécessaire pour assurer à cette ailette une longévité indéterminée. il - REVENDICATIONS - l.Compresseur axial, comprenant un carter dans lequel est monté un rotor portant au moins une rangée d'ailettes s'étendant généralement dans le sens radial, caractérisé en ce que le carter (13) est doté à la fois d'un certain nom- bre d'évidements (28) pratiqués dans sa surface interne (26) à côté des embouts d'au moins une rangée d'ailettes (22), et d'une soupape (34) de soutirage d'air disposée, afin de soutirer de l'air du compresseur (12), en aval du ou des évidements (28). 2. Compresseur axial selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il est prévu cinq évidements (28) constitués chacun d'une rainure s'étendant dans le sens circonférentiel. 3. Compresseur axial selon la revendication 2, carac- térisé en ce que chaque rainure (28) a sensiblement une largeur de 1 mm et une profondeur de 1 mm, et est disposée de manière à être sensiblement perpendiculaire à l'axe lon- gitudinal du compresseur (12), les différentes rainures (28) étant disposées à égale distance les unes des autres le long de cet axe. 4. Compresseur axial selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comprend un moyen d'actionnement de la soupape de soutirage (34) lorsque le régime du rotor (24) est supérieur à une valeur prédéterminée.