Brevet FR2846034A1 — publié le 20040423

L'invention concerne un carter supportant des séries aubes fixes entre lesquelles sont disposées des séries d'aubes mobiles en rotation autour d'un axe longitudinal, l'extrémité radialement externe desdites aubes mobiles étant proche de la face interne du carter, notamment un carter utilisé dans un turboréacteur d'aviation. Egalement, la présente invention se rapporte à la réalisation d'un compresseur, en particulier de type axial, notamment un compresseur fonctionnant à basse pression, comportant un carter tel que mentionné précédemment. Les compresseurs de ce type, utilisés notamment dans les turboréacteurs, sont constitués d'un rotor comprenant, soit une succession de disques séparés empilés les uns à la suite des autres, soit un tambour unique destiné à recevoir les séries d'aubes des différents étages. Classiquement, ce rotor comporte des saignées réalisées par 15 usinage afin de former entre deux étages voisins un espace dans lequel s'intercalent les aubes des étages statoriques solidarisées à une partie fixe présentant un carter. Ce carter forme un tronçon de la limite radialement externe de la veine le long de laquelle l'air circule dans la turbomachine. De manière habituelle, les aubes mobiles sont solidarisées de façon individuelle au tambour au niveau de logements, répartis régulièrement et en nombre égal à celui des aubes, dont la forme est déterminée pour coopérer par complémentarité de forme avec le pied de l'aube, ce qui assure l'immobilisation radiale, par exemple par une fixation 25 du type par queue d'aronde. En ce qui concerne l'immobilisation en translation, notamment axiale, du pied de l'aube par rapport à son logement, elle est assurée le plus souvent séparément pour chaque aube par un système à bille, goupille, agrafe, flasque, entretoise etc. Pendant le fonctionnement d'un turboréacteur, en particulier 30 pour les moteurs civils actuels, compte tenu des températures des pressions atteintes par l'air chaud, il est nécessaire d'assurer une fonction de régulation en cas de pompage. On rappelle que le pompage est un phénomène que l'on cherche à éviter au sein du moteur puisqu'il se traduit par des oscillations 35 brutales de la pression d'air et du débit d'air, qui soumettent les aubes à des contraintes mécaniques considérables pouvant conduire à leur fragilisation, voire à leur rupture. Ce phénomène intervient notamment en tête d'aube, au niveau de la couche limite d'air présente entre la tête de l'aube et le carter et se traduit localement par des poches de pression plus faible, formant ce que l'on dénomme de la cavitation. Actuellement cette fonction de régulation du pompage est assurée par des vannes de décharge qui permettent d'aspirer cette couche limite, ce qui dégrade le régime du moteur, tout en assurant également l'évacuation de l'eau et/ou de la glace ayant pu pénétrer dans le moteur, en particulier dans le cas des compresseurs fonctionnant à haute pression. 10 Toutefois, ces vannes de décharges sont relativement coteuses et fragiles, elles nécessitent une alimentation en énergie électrique ainsi qu'une maintenance stricte. Il a aussi été proposé de percer le carter afin de former des fuites contrôlées: cette solution est toutefois très néfaste en termes de 15 rendement énergétique puisqu'elle met directement le flux d'air en relation avec l'extérieur de la veine. La présente invention a pour objectif de fournir un carter permettant de s'affranchir ou de minimiser le recours aux vannes de décharge tout en évitant une perte énergétique trop importante. La présente invention a donc pour objectif de permettre réduire localement le phénomène de pompage, en augmentant la marge de pompage actuelle, sans toutefois diminuer le rendement du moteur. A cet effet, selon la présente invention, le carter comporte un élément principal et, au moins en regard de l'une des séries d'aubes 25 mobiles, un ensemble comportant une plaque réalisée en matériau alvéolaire à cellules tubulaires (ou nids d'abeilles) et un revêtement disposé sur la face de la plaque tournée en direction opposée aux aubes, de sorte que lesdites cellules sont ouvertes en direction des aubes, ledit revêtement étant muni de trous débouchant dans des cellules de la plaque 30 formant des cellules ouvertes, ledit revêtement refermant les autres cellules de la plaque formant des cellules fermées, une cavité étant formée entre ladite plaque et la face interne dudit élément principal. De cette manière, on comprend que par la présence des cellules ouvertes de la plaque en nids d'abeilles, de structure légère et 35 résistante, on permet une évacuation de l'air de la couche limite dans la cavité afin d'éviter le phénomène de pompage. Egalement un tel agencement est facile à mettre en oeuvre du fait de l'adaptabilité et de la facilité de montage des plaques en nids d'abeilles. Cette solution présente aussi l'avantage supplémentaire, de par la présence de la cavité située entre ladite plaque et la face interne dudit 5 élément principal, de permettre la création d'une re-circulation de cet air comprimé capté dans la couche limite en face et/ou en aval d'un étage d'aubes, ce qui d'une part permet de limiter le débit de fuite et d'autre part permet de venir augmenter la pression en amont d'un étage d'aubes. Globalement, grâce à l'agencement selon la présente invention, 10 il est possible d'aspirer la couche limite susceptible d'engendrer le phénomène de pompage, sans dégrader le régime du moteur grâce à la re-circulation d'air précitée qui permet d'améliorer la stabilité du système dont le régime est proche de la ligne de fonctionnement optimale. De préférence, ledit ensemble comporte en outre une feuille de 15 métal percée par des orifices et située entre ledit revêtement et ladite face interne dudit élément principal, ladite cavité étant formée entre ladite feuille et ladite face interne dudit élément principal, lesdits orifices étant au moins en partie situés dans le prolongement des cellules ouvertes. Cette feuille de métal percée contribue à orienter le flux d'air 20 prélevé dans la couche limite et réinjecté plus en amont; elle permet également de limiter les turbulences dans la cavité et donc d'améliorer les performances acoustiques. De préférence, lesdites cellules sont toutes orientées selon une même direction principale qui soit est perpendiculaire audit axe 25 longitudinal soit forme un angle aigu par rapport audit axe longitudinal pris dans le sens opposé à l'écoulement du fluide, et en particulier de l'air. Un tel angle permet de modifier et donc de maîtriser les conditions de prélèvement et de re-circulation de l'air comprimé au moyen d'une structure alvéolaire orientée à contre-courant. Selon une autre disposition préférentielle, lesdites cellules ouvertes sont situées au moins en partie en amont et en aval de ladite série d'aubes mobiles: de cette manière, on garantit une re-circulation entre la couche limite située en aval de la roue (série d'aubes mobiles) dont on souhaite améliorer le comportement. Cette disposition peut se 35 cumuler avec la possibilité de placer des cellules ouvertes également dans le tronçon prolongeant la série d'aubes mobiles considérée et/ou d'autres séries d'aubes mobiles. Selon un mode de réalisation préférentiel, au moins certaines des cellules fermées de ladite plaque sont remplies d'un matériau d'usure: 5 cette solution ajoute une fonction " abradable " à la plaque. De cette manière, en effet, on réalise également par le dit ensemble du carter selon la présente invention, la fonction dite " abradable " en tête d'aubes, qui correspond à l'utilisation d'un matériau d'usure susceptible d'être arasé ou érodé, c'est-à-dire d'être usé par le frottement de la tête d'aube. De préférence, ledit matériau d'usure contient l'une des matières appartenant au groupe formé des résines, des silicones, des résines de silicone. Selon une autre disposition pouvant se cumuler avec la disposition du paragraphe précédent, ledit matériau d'usure contient des 15 billes creuses, notamment des billes de verre. La présente invention porte aussi sur un compresseur, de préférence axial, en particulier fonctionnant à basse pression, comprenant, à titre de stator, un carter tel que défini précédemment. La présente invention porte également sur un turbo moteur à 20 combustion, en particulier un turboréacteur, comprenant un compresseur du type précité. Enfin, la présente invention porte aussi sur une turbine comprenant un carter du type précité. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront 25 à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre une vue en section longitudinale schématique d'un turboréacteur, - la figure 2 montre une demi vue en section partielle de la 30 partie avant d'un turboréacteur, avec la soufflante et un compresseur basse pression équipé d'un carter selon la présente invention, - la figure 3 est une vue en plan d'un tronçon du carter selon la présente invention avec l'extrémité libre des aubes en section transversale, - la figure 4 est une coupe en section selon la direction IV-IV de la figure 3, et - la figure 5 montre de manière agrandie l'extrémité libre d'une aube et la partie adjacente du carter selon la présente invention. Comme il ressort de la figure 1, montrant de manière schématique un turbo réacteur axial 100 et sur laquelle les parties mobiles 5 ont été hachurées, les principaux organes sont, d'amont en aval, la soufflante 102, le compresseur 104, la chambre de combustion 106, la turbine 108 équipée de son arbre 110 et le canal d'éjection 112. Sur la figure 2 est représentée de manière agrandie une portion de la figure 1. Plus précisément, la figure 2 montre la section d'une moitié de la partie avant 10 d'un turboréacteur du même type que celui de la figure 1, cette moitié étant située d'un côté de l'axe longitudinal 12 formant l'axe de symétrie de révolution des différents éléments, en particulier des différents éléments mobiles du turboréacteur. Sur cette figure 2, on peut voir plus précisément, parmi les différents éléments disposés axialement autour de l'axe longitudinal 12 et formant la structure conventionnelle d'un tel turboréacteur, la soufflante 102 ("fan") et le compresseur 104 fonctionnant à basse pression. La soufflante 102 comprend une série d'aubes 18 s'étendant 20 radialement qui sont montées sur un disque annulaire 20: une seule de ces aubes 18 apparaît sur la figure 2. Il est entendu que le disque 20 et les aubes 18 sont montés en rotation autour de l'axe longitudinal 12 du turboréacteur. Sur la figure 2, le sens d'écoulement du flux d'air détermine la 25 direction amont (partie gauche dela figure 1) de la partie aval (partie droite de la figure 1). Il est entendu que pour des raisons de clarté, les autres éléments conventionnels d'un tel turboréacteur, en particulier les éléments situés plus en aval que le compresseur 104 et les éléments situés 30 radialement plus à l'extérieur par rapport à l'axe longitudinal 12, ne sont pas représentés. Le compresseur 104 comprend plusieurs séries d'aubes mobiles 22 en rotation qui sont montés sur un disque, ou tambour 24, solidaire du disque 20 de la soufflante 102. Sur la figure 2, il apparaît trois séries d'aubes mobiles 22 entre lesquelles sont montées cinq séries d'aubes fixes 26 montées sur un carter 28. La structure de ce carter 28 conforme à la présente invention va 5 maintenant être décrite de manière plus complète en relation avec les figures 3 à 5. D'une manière générale, le sens de l'écoulement de l'air est signalé par la flèche 30, tandis que la flèche 32 indique le sens de rotation des aubes 22 du compresseur 104. Le carter 28 comporte un élément principal 34 formant la structure porteuse du carter 28 et séparant la veine du flux d'air de l'extérieur: cet élément principal 34 correspond donc essentiellement à la forme d'un carter classique de l'art antérieur. Cet élément principal 34 comporte des rainures annulaires 36 15 réalisées en regard de chaque série d'aubes 22 que l'on souhaite traiter. Comme on peut le voir sur la figure 3, ces rainures annulaires 36 présentent une longueur, dans la direction de l'axe longitudinal 12, légèrement supérieure à la longueur des aubes 22 de long de cet axe longitudinal 12 (sur la figure 3 est représenté en 12' un axe qui est 20 parallèle à l'axe longitudinal 12 de la figure 2). La rainure annulaire 36 sert de logement à un ensemble comprenant une plaque 38 réalisée en matériau alvéolaire à cellules tubulaires (nid d'abeilles réalisé à partir de plaques déployées et collées entre elles), un revêtement 40 formant une peau disposée sur la face de 25 la plaque 38 tournée en direction opposée aux aubes 22 et une feuille de métal 42 disposée entre le revêtement 40 de la plaque 38 et le fond de la rainure annulaire 36. Le revêtement 40 comporte des trous 40a disposés dans le prolongement de certaines des cellules de la plaque 38 qui constituent de 30 la sorte des cellules ouvertes 38a. Toutes les cellules de la plaque 38 ne sont toutefois pas ouvertes dans le fond de la plaque 38 par des trous 40a de sorte qu'il subsiste des cellules fermées 38b. En fait, ces cellules fermées 38b sont refermées par le revêtement 40 à leur extrémité dirigée de manière opposée aux aubes 22, tandis 35 que leur extrémité dirigée en direction des aubes 22 est ouverte. Avantageusement, on garnit ces cellules fermées 38b d'un matériau d'usure 44 permettant ainsi à la plaque. 38 de remplir un rôle d'élément "abradable" c'est-à-dire qui est, le cas échéant, érodé ou arasé par l'extrémité libre des aubes 22 (voir figure 5). Comme on peut le voir également sur la figure 4, la feuille de métal 42 est percée par des orifices 42a situés dans le prolongement des trous 40a du revêtement 40. Toutefois, la position, la répartition et la fréquence des orifices 42a peuvent être modifiées pour que la feuille de métal percée 42 participe à l'amélioration des performances acoustiques. 10 En effet, comme il apparaît sur la figure 4, l'agencement qui vient d'être décrit conduit à la formation d'une cavité morte 46, disposée entre le fond de la rainure 36 et la feuille de métal 42, et qui réalise une fonction de re-circulation d'air comme il sera décrit plus précisément par la suite. La plaque 38 comporte donc des rangées 38c de cellules 38a, 38b, l'une de ces rangées 38c étant visible en section sur la figure 4. Ces rangées de cellules 38c sont orientées de manière à former un angle cx avec 1' axe 12' parallèle à l'axe longitudinal 12. Cet angle ax, avantageusement aigu, peut varier entre 0 et 90 , 20 de préférence entre 150 et 450 et il est de préférence sensiblement égal à 300. En fait, cet angle ax sera choisi proche de l'angle de calage des coupes, c'est-à-dire l'angle formé entre l'axe longitudinal 12 (axe de rotation du turboréacteur) et la droite située en tête d'aube et passant par le bord d'attaque et le bord de fuite. Egalement, les cellules 38a, 38b de la plaque 38 sont inclinées d'un angle D par rapport à un axe normal 13 qui est orthogonal à l'axe longitudinal 12 et parallèle à un plan radial ou transversal du compresseur 104. Cet angle f3 peut varier entre -900 et +900 (cas du rainurage 30 circonférentiel), et il est dépendant du vecteur vitesse en bout d'aube. Comme il apparaît sur la figure 3, les cellules 38a, 38b présentent une section en forme d'hexagone mais il est entendu que d'autres formes peuvent bien entendu être utilisées parmi lesquelles une forme rectangulaire, flexible, multi-ondes, hexagonale renforcée, 35 cylindrique, sinusodale, carrée, cruciforme, hexagonale décalée, carrée raidie (voir notamment en page 7 de la norme française PR L 19-000 concernant une vue d'ensemble des matériaux alvéolaires à cellules tubulaires (M.A.C.T.) pour le domaine aéronautique et espace). De manière classique, les feuilles utilisées pour réaliser la plaque 38 en nid d'abeilles sont réalisées en alliage d'aluminium, en alliage 5 de titane, d'acier ou d'autres métaux, ou encore en matériau composite et non métallique. De préférence, on utilisera une plaque 38 réalisée en alliage d'aluminium ou en " Nomex " (marque déposée), c'est-à-dire dans une fibre textile aramide thermostable, constituée de poly(métaphénylène 10 isophtalamide). La longueur I des cellules 38a, 38b peut également être modifiée en fonction du résultat que l'on souhaite obtenir. Il faut comprendre que la cavité morte 46 permet une recirculation de l'air correspondant à une entrée et à une sortie d'air par les canaux que 15 constituent les cellules ouvertes 38a. En particulier, comme il ressort de la figure 5, lors de la rotation des aubes 22, l'extrémité libre de ces aubes 22 balaye les différentes cellules de la plaque 38, ce qui expose les cellules ouvertes 38a à des conditions de pression différente en fonction de la position de l'aube 22. 20 Ainsi, sur la figure 5, la face 22a de l'aube 22 correspond au côté de basse pression, tandis que la face 22b correspond au côté soumis à une plus haute pression, la flèche 32 rappelant le sens de rotation de l'aube 22. Par exemple si l'on considère la cellule ouverte 38a1 et l'aube 22, de la figure 3, dans sa position correspondant à une position 25 initiale, la cellule ouverte 38a1 est située du côté de haute pression 22b de l'aube 22. mais lorsque l'aube avance en rotation dans la direction de la flèche 32, la cellule ouverte 38a1 va ensuite être soumise à une pression correspondant à la pression basse de la face 22a correspondant à la position ultérieure de l'aube 221, comme l'était la cellule 38a2, dans la 30 position initiale de l'aube 221. De cette manière, comme il est montré sur la figure 5, la cellule ouverte 38a2 initialement soumise à une pression correspondant à celle du côté à haute pression 22b de l'aube 22 engendre la sortie d'un jet d'air (flèche 48) du côté de la face soumise à basse pression 22a de l'aube 22 35 lorsque l'aube passe sur cette cellule 38a2. du fait de l'entrée préalable (flèche 50) d'un flux d'air du côté de la face soumise à haute pression 22b de l'aube 22. Le même phénomène va se produire au niveau de la cellule ouverte 38a, au niveau de laquelle, dans la position initiale illustrée sur la 5 figure 5, de l'air pénètre (flèche 50) puisque cette cellule ouverte 38a1 est disposée du côté de la face 22b de l'aube soumise à une haute pression. Parmi les autres paramètres pouvant être modifiés, il convient de noter que la dimension moyenne d (voir figure 5) de la section des cellules 38a, 38b est de préférence sensiblement égale à l'épaisseur e des 10 aubes 22. De préférence, la longueur I des cellules de la plaque 38 est au moins égale à la dimension d mais de préférence égale à 2 à 10 fois cette dimension d. De cette manière, on comprend que l'on prévient le phénomène 15 de pompage en déchargeant une partie de l'air contenu dans la couche limite située entre l'extrémité libre de chaque aube 22 et la plaque 38 du fait de la re-circulation d'air (flèches 50 et 48) qui vient d'être exposée ciavant. De cette manière, on comprend que les fuites d'air au niveau de 20 la tête de l'aube ne sont pas perdues mais réinjectées de sorte qu'il n'y a pas de perte de rendement que l'on peut parler de fuites contrôlées permettant de réguler les conditions de pompage. En relation avec la fonction "abradable", le matériau d'usure 44 peut être constitué d'une multitude de matériaux différents parmi lesquels 25 on privilégie des matières appartenant au groupe formé des résines, des silicones, des résines de silicone, avantageusement l'addition de billes creuses, notamment des billes de verre. Des résines chargées de billes creuses peuvent être utilisées, comme le produit "minnesota Ec 3524". Parmi les résines silicones 30 chargées de billes de verres creuses, on peut noter l'utilisation d'un produit "RTV 147/148". Sur la figure 3, pour chaque rangée 38c de cellules 38a, 38b, on a prévu une cellule ouverte 38a sur trois cellules mais il est entendu que d'autres répartitions peuvent être utilisées. Egalement, sur la figure 3, on a prévu un décalage entre la disposition des cellules ouvertes 38a et des cellules fermées 38b toutes les sept rangées de cellules 38c mais il est entendu que d'autres dispositions peuvent être choisies. Egalement, on rappelle les paramètres d'optimisation du traitement du carter 28: la densité des cellules 38a, 38b de la plaque 38, 5 l'étirement des cellules (la forme de leur section), l'angle formé par rapport à la veine (lié à l'angle à), le rapport entre le nombre de cellules ouvertes 38a sur le nombre de cellules fermées 38b, la position et l'orientation des cellules ouvertes et des cellules fermées, la taille de la section des cellules ouvertes 38a et la sélection de la position des cellules 10 ouvertes 38a par rapport aux cellules fermées 38b, l'épaisseur de la plaque de nid d'abeilles 38... Egalement, il faut noter que le positionnement de l'ensemble 38, , 42 dans la rainure 36 peut s'étendre à une ou plusieurs séries d'aubes 22, à des séries d'aubes adjacentes ou bien sur seulement 15 certaines séries d'aubes. Egalement, on peut prévoir que l'élément principal 34 présente une rainure 36 sur toute sa longueur de sorte que tout le compresseur 104 et toutes les séries d'aubes 22 qu'il comporte sont traitées par un ensemble 38, 40, 42 unique permettant la recirculation d'air sur chaque 20 grille. Enfin, il ressort de ce qui précède qu'outre la fonction "abradable", l'ensemble 38, 40, 42 permet fondamentalement d'assurer une stabilisation des conditions de pression de la couche limite d'air au niveau du compresseur 104. D'une manière générale, on comprend que l'utilisation d'une plaque réalisée en matériau alvéolaire à cellules tubulaires (ou nids d'abeilles) est d'utilisation facile et adaptable compte tenu de toutes les possibilité de matériaux pouvant être utilisés, et des formes (inclinaison et forme de la section) et des tailles (longueur et taille de la section) 30 disponibles pour les cellules. il REVENDICATIONS 1. Carter (28) supportant des séries aubes fixes (18; 26) entre lesquelles sont disposées des séries d'aubes mobiles (22) en rotation autour d'un axe longitudinal (12), l'extrémité radialement externe desdites 5 aubes mobiles (22) étant proche de la face interne du carter (28), caractérisé en ce qu'il comporte un élément principal (34) et, au moins en regard de l'une des séries d'aubes mobiles (22), un ensemble comportant une plaque (38) réalisée en matériau alvéolaire à cellules tubulaires (ou nids d'abeilles) et un revêtement (40) disposé sur la face de la plaque (38) 10 tournée en direction opposée aux aubes (22), de sorte que lesdites cellules (38a, 38b) sont ouvertes en direction des aubes (22), ledit revêtement (40) étant muni de trous (40a) débouchant dans des cellules de la plaque formant des cellules ouvertes (38a), ledit revêtement (40) refermant les autres cellules de la plaque formant des cellules fermées 15 (38b), une cavité (46) étant formée entre ladite plaque (38) et la face interne dudit élément principal (34). 2. Carter (28) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble comporte en outre une feuille de métal (42) percée par des orifices (42a) et située entre ledit revêtement (40) et ladite face 20 interne dudit élément principal (34), ladite cavité (46) étant formée entre ladite feuille (42) et ladite face interne dudit élément principal (34), lesdits orifices (42a) étant au moins en partie situés dans le prolongement des cellules ouvertes (38a). 3. Carter (28) selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, caractérisé en ce que lesdites cellules (38a, 38b) sont orientées selon une direction principale formant un angle aigu (oa) par rapport audit axe longitudinal (12) pris dans le sens opposé à l'écoulement. 4. Carter (28) selon la revendication 3, caractérisé en ce 30 que ledit angle (o) est compris entre 0 et 900, de préférence entre 150 et 450, et de préférence sensiblement égal à 30 . 5. Carter (28) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites cellules ouvertes (38a) sont situées au moins en partie en amont et en aval de ladite série d'aubes mobiles (22). 6. Carter (28) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins certaines des cellules fermées (38b) de ladite plaque sont remplies d'un matériau d'usure (44). 7. Carter (28) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit matériau d'usure (44) contient l'une des matières appartenant au groupe formé des résines, des silicones, des résines de silicone. 8. Carter (28) selon la revendication 6, caractérisé en ce 10 que ledit matériau d'usure (44) contient des billes creuses, notamment des billes de verre. 9. Compresseur (104) axial, en particulier fonctionnant à basse pression, comprenant, à titre de stator, un carter (28) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Turbo moteur à combustion, en particulier turboréacteur, comprenant un compresseur (104) selon la revendication 9. 11. Turbine (108) pour turboréacteur comprenant un carter (28) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.