Brevet FR2619868A1 — publié le 19890303

La présente invention concerne des compresseurs pour turbine à gaz et elle vise plus particulièrement un élément de renforcement et d'écartement de pièces (généralement appelé "anneau de renforcement") pour résiter aux vibrations et à la torsion des aubes du compresseur. Les aubes des turbo-compresseurs à grande vitesse sont sujettes à ce que les techniciens désignent sous le nom de "flutter" c'est à dire à un flottement ou un battement ou à des vibrations et à une torsion axiale. Par conséquent, des éléments de renforcement et d'écartement sont positionnés sensiblement au trois-quart de l'envergure des aubes, ces éléments étant reliés entre des aubes adjacentes. Ces éléments d'écartement présentent une longueur discrète dans la direction de l'écoulement de l'air de manière à assurer un bras de levier suffisant pour résister à la torsion des aubes. Ces éléments sont généralement en deux parties afin que les éléments ou les ailettes des aubes adjacentes viennent en butée les uns contre les autres afin de résister aux vibrations provenant d'un glissement avec frottement entre des ailettes adjacentes. Grâce à leur longueur axiale discrète, ces éléments de renforcement forment une portion de cylindre ou dans certains cas une portion de cône afin que le débit d'air qui les traversent soit moins perturbé. On a noté qu'avec des turbo-compresseurs fonctionnant dans le domaine transonique ou supersonique l'onde de choc perturbe la configuration de l'écoulement. L'air situé derrière l'onde de choc est comprimé et, lorsqu'il continue son déplacement au travers du compresseur selon la même vitesse radiale, sa vitesse axiale se modifie. Par conséquent, des portions de la pièce d'écartement qui sont idéales pour le champ d'écoulement situé en amont de l'onde de choc ne sont pas optimales pour les parties du champ de l'écoulement situées en aval de l'onde de choc. Selon la présente invention les éléments de renforcement sont constitués par des ailettes formant un angle par rapport à l'axe du rotor dans la direction de l'écoulement de l'air. Un premier angle ou angle inférieur est présent dans cette ailette dans la zone qui est adjacente au côté d'aspiration (convexe) de chaque aube, la valeur de cet angle correspondant sensiblement à celle connue par l'état antérieur de la technique. La portion d'ailette qui est adjacente au côté de pression (concave) présente un angle plus important. Le changement entre l'angle le plus important et l'angle le plus faible se produit sensiblement à l'emplacement o l'onde de choc provenant du bord d'attaque de chaque aube tombe 2 2619868 sur l'élément de renforcement. Ceci est déterminé pour une condition de fonctionnement choisi, laquelle correspond généralement au régime de croisière pour lequel on désire obtenir un rendement maximal. Ce changement d'angle peut se présenter sous la forme d'une torsion graduelle des ailettes ce qui permet d'obtenir une ailette plus rigide en compression que cela ne serait le cas s'il existait une modification brutale de la torsion de l'ailette. D'autres caractéristiques 'et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les dessins: La figure 1 est une vue générale d'un compresseur et d'une turbine à gaz La figure 2 est une figure en plan en regardant radialement vers l'intérieur, illustrant deux aubes de compresseur et les pièces de renforcement constituées d'ailettes. La figure 3 est une vue en élévation des ailettes selon une direction généralement parallèle à la surface des aubes. La figure 4 est une vue similaire représentant une structure selon l'état antérieur de la technique. La figure 5 est une vue en élévation latérale au travers de l'ailette, à proximité du côté de pression de l'aube et: La figure 6 est une vue en élévation latérale et en coupe d'une ailette en un emplacement situé à proximité de la surface d'aspiration de l'aube. On décrira maintenant un exemple préféré de réalisation de cette invention. La figure 1 représente un moteur à turbine à gaz 10 comportant un compresseur d'air à écoulement axial 12. Ce compresseur comporte des rangées d'aubes 14 et 16 montées sur l'arbre du rotor du compresseur 18. Des pièces de renforcement et d'écartement 20 (généralement appelées anneau de renforcement) sont positionnées en un point situé sensiblement au trois quart de l'envergure de chaque Jeu d'aube de rotor. En se référant à la figure 2 le débit d'air qui circule selon la flèche 22 pénètre au travers des aubes de compresseur 24 et 26 qui sont entraînées en rotation dans le sens indiqué par la flèche 28. L'aube 24 comporte un côté concave 30 qui constitue la surface côté pression et un côté convexe 32 qui constitue la surface côté aspiration. De méme, l'aube 26 présente une surface côté pression 34 et une surface côté aspiration 36. Le compresseur fonctionne aux vitesses élêvées et à ce moment le bord d'attaque 38 qui se déplace à une vitesse transonique ou supersonique provoque la formation d'une onde de choc 40 se déplaçant en aval entre les aubes. Le débit d'air 22 qui circule entre les aubes présente non seulement la composante axiale transversale aux aubes mais également une composante radiale résultant de la trajectoire de l'écoulement allant en s'amincissant comme on peut le voir sur la figure 1. Cet état de fonctionnement existe dans la zone illustrée par la flèche 42 sur la figure 2. Au delà de l'onde de choc 40, le flux d'air indiqué par la flèche 44 présente également une composante axiale et une O composante radiale. Cependant, l'air dans cette zone est comprimé au delà de l'onde de choc. La compression est de la nature d'une compression axiale si bien que sa composante radiale reste la même lorsque la composante axiale décroît par suite d'une augmentation de la densité de l'air. La pièce de renforcement est constitué de manière que chaque aube 26 présente une ailette 48 s'étendant circonférenciellement sur le côté de pression et d'une ailette 50 s'étendant circonféreciellement sur le côté d'aspiration. Les références 40' et 50' représentent ces mêmes ailettes telles que positionnées sur l'aube 24. Une surface de butée 52 recouverte d'un matériau de placage dur vient en butée contre une surface de butée 54 de l'ailette 50', également revêtue d'un !0 matériau de placage dur. Lorsque les aubes 24 et 26 vibrent autour de leur petit axe, ces vibrations sont amorties par le frottement entre les surfaces 52 et 54 La rotation ou la torsion des aubes autour de leurs axes longitudinaux s'opposent à un moment de flexion transmis au travers de la face interne entre les surfaces 52 et 54, transmettant des efforts aux aubes adjacentes. Non !5 seulement les éléments de renforcement doivent absorber les forces dynamiques dues & la compression de l'air mais également ils doivent absorber toute force ou charge résultant d'un choc provoqué par une ingestion d'objets étrangers dans les aubes. Il en résulte que des efforts de compression relativement importants peuvent se produire dans ces ailettes. G La figure 3 qui est une coupe selon 3-3 de la figure 2 prise en regardant les bords des ailettes permet une meilleure comparaison avec l'état antérieur de la technique illustré par la figure 4 selon une vue similaire. Tous les angles des aubes par rapport à l'axe de l'arbre du rotor ont des valeurs exagérées sur ces dessins pour clarifier la représentation. L'examen de la figure 4 montre que les éléments de renforcement selon la technique antérieure et qui sont constitués 4 2619868 d'ailettes 56 et 58 présentent une forme sensiblement conique de manière à se confondre avec l'écoulement d'air prévu. La figure 3 illustre la présente invention dans laquelle l'angle de l'ailette varie entre le côté orienté vers la surface de pression d'une aube adjacente et le côté situé vers la surface d'aspiration d'une aube adjacente. Etant donné que les ailettes sont alignées et viennent en butée sur les surfaces 52 et 54, on comprend mieux le mode de réalisation des ailettes en ignorant cette séparation et en considérant les deux composants comme constituant un élément de renforcement unique. Une portion de l'ailette située près de la surface d'aspiration 32 ne fait qu'un petit angle, de l'ordre de 1 à 3 , par rapport à l'axe de l'arbre du rotor. Cet angle a été représenté sur la figure 6 sur laquelle il est désigné par la référence 60. La portion de l'ailette adjacente à la surface de pression 34 présente un angle plus important 62, comme représenté sur la figure 5, un multiple de deux à trois fois la valeur de l'angle le plus faible et qui est de l'ordre de 3 à 9 . Etant donné que l'écoulement de l'air 44 derrière l'onde de choc 40, comme représenté sur la figure 2, présente une vitesse vers l'avant plus petite, avec la même vitesse radiale, il se déplace selon un angle par rapport à l'axe du rotor qui est plus important que l'angle de l'écoulement de l'air à l'extérieur de l'onde de choc. Le changement d'angle des ailettes s'adapte donc à cet écou- lement d'air ce qui entraine une diminution des pertes de pression. Ainsi que l'on peut le voir sur les figures 5 et 6 cette ailette présente une forme générale profilée de manière à diminuer encore la perte de pression. L'examen de la figure 3 montre qu'il se produit une torsion uniforme des ailettes selon la ligne de flexion 64 ce qui se traduit généralement par une augmentation de l'angle des ailettes. Bien qu'une transition soudaine vers le nouvel angle soit acceptable et conforme à la théorie, la torsion graduelle apporte l'avantage d'assurer un meilleur soutien axial des charges au travers de l'ailette tout en permettant d'atteindre encore sensiblement les exigences d'écoulement d'air désirées. Cette forme est également plus facile à fabriquer que tout autre forme plus complexe. Lorsque se produit cette torsion graduelle, il existe un axe autour duquel l'ailette subit une torsion. Le fait de positionner cet axe à proximité du centre de l'ailette diminue le décalage maximal d'un côté de l'ailette par rapport à l'autre. ceci permet également d'obtenir une aube plus rigide sous l'effet de charges de compression. Bien que le compresseur décrit ici soit d'une type dans lequel le diamètre extérieur des rangées successives d'aubes de rotor décroit et que l'air comprimé se déplace radialement vers l'arbre, l'invention peut s'également s'appliquer à tout autre conception de compresseurs. Lorsque le diamètre extérieur des aubes des rangées successives est sensiblement le même, alors que le rayon du pied des aubes augmente, on inverse la configuration de manière que l'écoulement soit orienté vers l'extérieur, vers la circonférence. Le même concept de changement d'angles se produit même lorsqu'il est inversé en ce sens que le diamètre des ailettes augmente alors dans le sens de l'écoulement de l'air au lieu de décroitre de la manière ci-dessus. REVENDICATIONS 1 Système d'aubes pour des compresseurs fonctionnant avec des vitesses supersoniques ou transoniques caractérisé en ce qu'il comprend: Un arbre de retor (18); Une pluralité d'aubes à profils co-planaires, espacées circonférenciellement (24, 26), montées sur ledit arbre, chacune présentant un côté de surface de pression (30, 34) et un côté de surface d'aspiration (32, 36) Un élément de renforcement et d'écartement intermédiaire conçu de façon à résister à la torsion et de manière à amortir les vibrations desdites aubes, cet élément comportant une ailette (48, 50, 48' 50') s'étendant circonférentiellement sur chaque côté de chaque aube, les aiettes d'aubes adjacentes étant en butée l'une contre l'autre, lesdites ailettes présentant une forme allongée profilée et s'étendant selon un certain angle par rapport à l'axe de l'arbre du rotor dans la direction de l'écoulement de l'air et ces ailettes formant un angle plus important (62) vers le côté de surface de pression de chaque aube et un angle plus faible (60) vers le côté de la surface d'aspiration de chaque aube. 2 Système d'aubes pour compresseurs selon la revendication 1 caractérisé en ce que le changement entre ledit angle plus important et ledit angle plus faible se produit sensiblement en un emplacement o l'onde de choc (40) provenant du bord d'attaque (38) de chaque aube tombe sur chaque élément de renforcement pour une condition de fonctionnement pré-déterminée. 3 Système d'aubes pour compresseur selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite condition de fonctionnement pré-déterminée est le régime de croisière. 4 Système d'aubes de compresseurs selon la revendication 1 caractérisé en ce que ce compresseur est du type selon lequel le diamètre extérieur des lames décroît dans la direction de l'écoulement de l'air et en ce que lesdites ailettes s'étendent selon un angle présentant un rayon décroissant dans le sens de l'écoulement de l'air. Système d'aubes de compresseurs selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites ailettes présentent une transition graduelle entre l'angle ie plus faible (60) et l'angle le plus important (62) i 2619868 6 Système d'aubes de compresseurs selon la renvendication 5 caractérisé en ce qu'il existe un axe desdites ailettes autour duquel il se produit la torsion, cet axe étant situé au centre desdites ailettes 7 Système d'aubes de compresseurs selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'angle le plus faible (60) est compris entre 1 et 3 * et en ce que l'angle le plus important (62) représente un multiple de deux à trois fois la valeur de cet angle le plus faible.