Brevet FR2679600A1 — publié le 19930129

/4 Rotors pour turbomachines L'invention concerne les rotors de turbomachines. Il est bien connu que la géométrie, par exemple la forme, la taille et la position des ailettes d'un rotor d'une turbomachine ont un effet significatif sur la performance et le rendement de la machine. Selon la présente invention, il est proposé un agencement de rotor pour une turbomachine, comprenant une série annulaire d'ailettes primaires espacées, montées à rotation sur un arbre, et une série annulaire d'ailettes secondaires espacées, également montées à rotation sur ledit arbre, caractérisé en ce qu'au moins une partie de chacune des ailettes secondaires est disposée entre un couple successif d'ailettes primaires, de façon à produire au moins un chevauchement partiel entre les deux séries d'ailettes, l'agencement étant tel que les séries d'ailettes secondaires sont mobiles par rapport au jeu d'ailettes primaires, entre deux positions finales prédéterminées. De préférence, les positions finales de chaque ailette secondaire sont une mise en butée avec les ailettes primaires respectives entre lesquelles l'ailette secondaire est disposée, de manière à définir deux formes d'ailettes composites. Selon un mode de réalisation, les ailettes primaires sont montées sur un organe support De manière appropriée, les ailettes secondaires sont montées sur un deuxième organe support, monté à rotation sur ledit arbre, ledit deuxième organe support étant susceptible de tourner par rapport au premier organe support, afin d'effectuer ledit déplacement relatif entre les ailettes primaires et secondaires. Selon un mode de réalisation préféré, les ailettes secondaires ne font pas saillie à l'arrière des bords de fuite des ailettes primaires Les ailettes secondaires ne font, non plus, pas saillies en avant du bord d'attaque des ailettes primaires. Selon un autre mode de réalisation, la position des ailettes secondaires par rapport aux ailettes primaires fait varier l'angle de sortie du rotor, mais pas l'angle d'entrée du rotor. De préférence, l'espacement angulaire entre les ailettes successives est identique. Selon un mode de réalisation préféré, les faces s'étendant radialement des parties se chevauchant des ailettes composites sont parallèles De même, l'épaisseur des parties parallèles des ailettes composites augmente avec la distance par rapport à l'axe de rotation des ailettes. Selon un mode de réalisation préféré, le premier organe support est monté sur des cannelures axiales ménagées sur l'arbre et le second organe support est monté sur des cannelures hélicoïdales ménagées sur l'arbre, le déplacement axial des deux organes support ayant ainsi pour résultat un déplacement relatif entre les deux organes support De manière appropriée, les organes support sont maintenus en position aval de façon à ce qu'une libération du mécanisme de verrouillage permette aux organes support de se déplacer vers l'amont, suite aux effets aérodynamiques et inertiels. Selon un autre mode de réalisation, un organe support est monté bloqué sur l'arbre et l'autre organe support est monté à rotation libre sur l'arbre et maintenu en une position finale par le moyen de verrouillage qui, une fois déverrouillé, permet à l'autre organe support de se déplacer par rapport au premier organe support et d'aller dans sa première position finale De préférence, ce déplacement est le résultat des efforts aérodynamiques et inertiels Selon un mode de réalisation préféré, le moyen de verrouillage comprend une tige de verrouillage commandée par un agencement à solénoïde. Selon d'autres modes de réalisation, des moyens à ressort ou à piston sont disposés entre les deux organes support, de façon à déplacer l'un par rapport à l'autre. Le déplacement relatif entre les deux organes support peut s'achever par la mise en butée des deux jeux d'ailettes En variante, on peut prévoir des articulations de longueur prédéterminée entre les deux organes support. Des modes de réalisation de l'invention vont être à présent décrits plus en détail La description fait référence La figure la figure la figure la figure la figure la figure la figure la figure la figure la figure aux dessins schématiques annexés, dans lesquels: 1 représente une vue de face en perspective d'un agencement de rotor selon la présente invention, 2 représente une vue en coupe axiale d'un agencement de rotor analogue à celui représenté sur la figure 1, 3 est une vue en coupe schématique d'un certain nombre d'ailettes de rotor, dans un agencement de rotor selon la présente invention, 4 est une vue en coupe schématique des ailettes de rotor représentées sur la figure 3, dans d'autres positions, est une vue en coupe axiale d'un agencement de rotor selon la présente invention, 6 est une vue en plan de l'arbre de montage de l'agencement de la figure 5, 7 est une vue en coupe axiale d'un autre agencement de rotor selon la présente invention, 8 est une vue axiale d'un autre agencement de rotor selon la présente invention, 9 est une vue axiale d'un autre agencement de rotor selon la présente invention, et est une vue axiale de l'agencement de la figure 9, avec les ailettes de rotor dans d'autres positions. Les figures 1 et 2 représentent un agencement de rotor , qui peut convenir à une turbomachine quelconque, telle qu'un compresseur ou une turbine, bien que l'agencement de rotor 10 convienne particulièrement à un étage de ventilateur', ou étage de compresseur basse pression. L'agencement 10 comprend un rotor primaire ou avant 11 et un rotor secondaire ou arrière 12, tous deux montés à rotation sur l'axe de la machine, sur un arbre 13. Le rotor avant 11 comprend un organe support 15, ayant la forme d'un disque et une série d'ailette 16, s'étendant généralement radialement depuis le disque avant 15, avec des espacements angulaires identiques. Le rotor arrière 12 comprend un organe support 17, ayant la forme d'un disque et une série d'ailette 18, s'étendant généralement radialement depuis le disque arrière 17, à des espacements angulaires identiques Les ailettes avant 16 et les ailettes arrière se chevauchent en direction axiale et sont disposées de façon qu'elles s'imbriquent, chaque ailette arrière 18 étant disposée entre un couple d'ailettes avant 16 adjacent. Les deux rotors 11,12 sont disposés de façon que le rotor arrière 12 soit en mesure d'effectuer une rotation de valeur prédéterminée autour de l'axe 14 par rapport au rotor avant 1 La valeur prédéterminée de la rotation est telle que les ailettes arrière 18 peuvent se déplacer entre deux positions, l'une de mise en butée contre une ailette avant 16 du couple d'ailettes 16 entre lesquelles elle est disposée et l'autre de mise en butée contre l'autre ailette avant 16 dudit couple d'ailettes L'agencement de rotor présente par conséquent une géométrie variable. Ce concept à géométrie variable est représenté plus clairement sur les figures 3 et 4, qui représentent un couple d'ailettes avant 16, avec les ailettes arrière 18 coopérant avec elles Les ailettes 16 et 18 sont représentées de façon exagérée, sous une forme simplifiée, par soucis de compréhension et d'explication En effet, les ailettes composites représentées sur ces deux figures sont de forme différentes, de telle façon que le travail que peut effectuer chaque ailette peut être permuté Les ailettes arrière chevauchent les bords de fuite des ailettes avant et l'angle de rotation par tourbillonnement de l'air qui quitte l'étage de rotor est différent dans les deux positions, bien que l'angle d'entrée de l'étage reste le même. On peut voir que le travail spécifique de l'étage de rotor est proportionnel à (tg a 2 tg al) dans laquelle a 2 est l'angle d'entrée de l'air Ces angles sont définis comme les angles sous-tendus par l'axe machine, par la ligne moyenne du profil d'ailetage, ou lui étant tangent, respectivement aux bords d'attaque et de fuite Pour illustrer l'efficacité du concept à géométrie variable, prenons un angle d'entrée égal à 12 et un angle de sortie d'air égal à 480, dans une position des ailettes arrière, et égal à 42 , dans l'autre position des ailettes arrière Le calcul montre une augmentation de 31 % du travail spécifique lorsque l'angle de sortie est passé à 480. Même avec une modification de l'angle de sortie, passant de 44 à 46 , il y a une augmentation de 9 du travail spécifique. Il est évident qu'il y a de nombreuses manières pour obtenir le déplacement relatif entre les rotors avant et arrière 11,12 Quelques exemples sont décrits ci-après. Sur les figures 5 et 6, l'arbre 13 est pourvu de deux sections 19,20 La section avant 19 porte le rotor avant 11 sur des cannelures axiales rectilignes 21 et la section arrière 20 porte le rotor arrière 12 sur des cannelures hélicoïdales 22 Si le couple de rotors 11,12 est soumis à un déplacement axial sur l'arbre, le rotor 12 va tourner par rapport au rotor avant 11. Les rotors 11,12 pourraient être maintenus à leurs positions de verrouillage aval par une forme quelconque de mécanisme de verrouillage, pouvant être débloqué pour permettre aux rotors de se déplacer dans la direction amont, sous l'effet des forces aérodynamiques et inertielles, effectuant ainsi la rotation relative entre les rotors En variante, un organe cruciforme 23 est prévu, pour limiter les rotors dans une position et est déplacé par une tige filetée ou un piston à pression de fluide, vers l'autre position. Sur la figure 7, l'organe support avant 15 est fixé rigidement à l'arbre mais l'organe support arrière 17 est monté libre, pour tourner sur l'arbre 13 L'organe support arrière 17 est maintenu dans sa première position, par rapport à l'organe support avant 15, par une tige de verrouillage (non représentée) ou un dispositif analogue La tige peut être commandée par un solénoïde, de façon que, lorsque l'organe support est débloqué, il tourne autour de l'arbre, par rapport au premier organe support 15, jusqu'à ce que les ailettes arrière 18 viennent en contact avec les ailettes avant 16 dans la seconde position La rotation relative est effectuée au moyen des forces aérodynamiques et inertielles La variation de position est cependant unidirectionnelle. La figure 8 montre une partie de l'organe support avant , conjointement avec ses ailettes 16 et l'organe support arrière 17, disposé avec des ressorts 24 entre eux. Lorsqu'un mécanisme de verrouillage est débloqué, la force des ressort 24 provoque la rotation relative entre les rotors avant et arrière 11, 12 Il est à noter que des pistons pourraient remplacer les ressorts 24 et les pistons, s'ils sont à double action, pourraient également remplacer tout dispositif de verrouillage et permettre d'inverser le sens de la rotation relative. Les figures 9 et 10 représentent des organes support avant et arrière 15, 17, montés sur l'arbre 13 les organes ,17 sont interconnectés par des bras 25 montés sur des tiges 26 de l'organe support avant 15 et présentent des fentes 27 destinées à recevoir des tiges de guidage 28 montées sur l'organe support arrière 17 Lorsqu'un mécanisme de verrouillage est débloqué, l'action centrifuge ainsi que les actions aérodynamiques et inertielles vont provoquer la rotation relative entre les deux rotors 11,12 La rotation est limitée dans son ampleur, par les longueurs bras/fente et va correspondre à la distance angulaire entre les ailettes. Les modes de réalisation ci-dessus n'impliquent que des machines à écoulement axial, mais il est à noter que le concept peut être facilement appliqué à des machines à écoulement radial. Il y a bien sûr d'autres caractéristiques de conception des ailettes, hormis celles mentionnées ci-dessus, qui vont influencer la performance du rotor Par exemple, il a été trouvé qu'il pouvait être avantageux que la partie composite formée par un couple d'ailettes soit placé de façon parallèle L'épaisseur de l'une des deux ailettes augmenterait avec la distance radiale par rapport à l'axe de la machine, s'il faut éviter les interstices entre les ailettes Cependant, parfois, ces interstices peuvent s'avérer bénéfiques parce que l'air peut s'insérer dans l'interstice, depuis le côté haute pression de l'ailette, pour réactiver la couche limite du côté basse pression Ceci réduit la tendance de la couche limite du côté basse pression à se décoller de la surface Ce décollement marque la limite à laquelle un travail utile peut être effectué par ou sur un écoulement d'air. De même, le rapport épaisseur/corde d'une ailette influence la performance, parce qu'il est difficile d'obtenir de grandes variations dans l'angle de sortie (ou l'entrée) de l'air, avec des ailettes composites qui sont élancées Ces ailettes dotés de rapports épaisseur/corde peu élevés donnent des performances améliorées mais l'amélioration n'est pas aussi significative qu'avec des ailettes plus épaisses, plus incurvées. De plus, il a été trouvé que l'augmentation de l'angle de décalage des ailettes sur leur longueur peut efficacement augmenter l'épaisseur de la partie de chevauchement de l'ailette composite et ainsi augmenter l'effet de mise en rotation de l'écoulement d'air (L'angle de décalage étant l'angle sous-tendu par une ligne passant par l'ailette, par rapport à l'axe moyen). Il est également possible que les hauteurs radiales des ailettes primaires et secondaires soit différentes Un tel agencement peut être utile dans un certains nombre d'agencements, y compris lorsque il est souhaité faire varier la géométrie du ventilateur pour modifier le débit masse dans un moteur à rotor, seulement pendant que l'on maintient sensiblement constant le conduit de ventilation ou l'écoulement de dérivation. L'invention se révèle utile dans un moteur dont la conception aérodynamique est optimisée pour la croisière mais o un état aérodynamique différent convient mieux pour une autre phase de vol, par exemple le décollage Les caractéristiques aérodynamiques de l'étage de rotor dans la première condition sont conçues pour donner les meilleures performances pendant le décollage ou le décollage et l'accélération et, dans la seconde configuration, pour donner la meilleure performance pendant la croisière La première configuration peut être optimisée pour donner une puissance maximale et la seconde configuration pour permettre une économie maximale Ainsi, le rotor va être verrouillé dans la première configuration à l'état initial et ensuite débloqué ou actionné pour se déplacer en seconde configuration, pendant le vol, la transition entre les différentes configurations n'ayant qu'un caractère momentané. REVENDICATIONS 1 Agencement de rotor pour une turbomachine, comprenant une série annulaire d'ailettes primaires ( 16) espacées, montées à rotation sur un arbre ( 13), et une série annulaire d'ailettes secondaires ( 18) espacées, également montées à rotation sur ledit arbre, caractérisé en ce qu'au moins une partie de chacune des ailettes secondaires ( 18) est disposée entre un couple successif d'ailettes primaires ( 16), de façon à produire au moins un chevauchement partiel entre les deux séries d'ailettes, l'agencement étant tel que les séries d'ailettes secondaires ( 18) sont mobiles par rapport au jeu d'ailettes primaires ( 16), entre deux positions finales prédéterminées. 2 Agencement de rotor selon la revendication 1, dans lequel les positions finales de chaque ailette secondaire ( 18) sont une mise en butée avec les ailettes primaires respectives ( 16) entre lesquelles l'ailette secondaire ( 18) est disposée, de manière à définir deux formes d'ailettes composites. 3 Agencement de rotor selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les ailettes primaires ( 16) sont montées sur un organe support ( 15). 4 Agencement de rotor selon la revendication 3, dans lequel les ailettes secondaires ( 18) sont montées sur un deuxième organe support ( 17), monté à rotation sur ledit arbre ( 13), ledit deuxième organe support ( 17) étant susceptible de tourner par rapport au premier organe support ( 15), afin d'effectuer ledit déplacement relatif entre les ailettes primaires ( 16) et secondaires ( 18). Agencement de rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les ailettes secondaires ( 18) ne font pas saillie à l'arrière des bords de fuite des ailettes primaires ( 16). 6 Agencement de rotor selon la revendication 5, dans lequel les ailettes secondaires ( 18) ne font pas saillies en avant du bord d'attaque des ailettes primaires ( 16). 7 Agencement de rotor selon la revendication 6, dans lequel la position des ailettes secondaires ( 18) par rapport aux ailettes primaires ( 16) fait varier l'angle de sortie du rotor, mais pas l'angle d'entrée du rotor. 8 Agencement de rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'espacement angulaire entre les ailettes successives est identique. 9 Agencement de rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les faces s'étendant radialement des parties se chevauchant des ailettes composites sont parallèles. 10 Agencement de rotor selon la revendication 9, dans lequel l'épaisseur des parties parallèles des ailettes composites augmente avec la distance par rapport à l'axe de rotation ( 14) des ailettes. 11 Agencement de rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les ailettes primaires ( 16) et secondaires ( 18) sont de hauteurs radiales différentes. 12 Agencement de rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le premier organe support ( 15) est monté sur des cannelures axiales ( 21) ménagées sur l'arbre ( 13) et le second organe support ( 17) est monté sur des cannelures hélicoïdales ( 22) ménagées sur l'arbre ( 13), le déplacement axial des deux organes support ( 15,17) ayant ainsi pour résultat un déplacement relatif entre eux. 13 Agencement de rotor selon la revendication 12, dans lequel les organes support ( 15,17) sont maintenus en position aval de façon à ce qu'une libération du mécanisme de verrouillage permette aux organes support ( 15,17) de se déplacer vers l'amont, suite aux effets aérodynamiques. 14 Agencement de rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel un organe support ( 15 ou 17) est monté bloqué sur l'arbre ( 13) et l'autre organe il support ( 17 ou 15) est monté à rotation libre sur l'arbre ( 13) et maintenu en une position finale par le moyen de verrouillage qui, une fois déverrouillé, permet à l'autre organe support de se déplacer par rapport au premier organe support et d'aller dans sa première position finale. Agencement de rotor selon la revendication 14, dans lequel ce déplacement est le résultat des efforts aérodynamiques et inertiels. 16 Agencement de rotor selon la revendication 15, dans lequel le moyen de verrouillage comprend une tige de verrouillage commandée par un agencement à solénoïde. 17 Agencement de rotor selon la revendication 14, dans lequel des moyens à ressort ( 24) ou à piston sont disposés entre les deux organes support ( 15,17), de façon à déplacer l'un par rapport à l'autre. 18 Agencement de rotor selon la revendication 1, dans lequel les ailettes primaires ( 16) et secondaires ( 18) sont susceptibles de se déplacer les unes par rapport aux autres pendant le fonctionnement de la turbomachine, de manière à faire varier ses caractéristiques de fonctionnement.