Brevet FR3025564A1 — publié le 20160311

Système d'aubes à calage variable pour une turbomachine DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un système d'aubes à calage variable pour une turbomachine. ETAT DE L'ART Un système de ce type comprend une rangée annulaire d'aubes de stator à calage variable (aussi appelées VSV - acronyme de Variable Stator Vanes) qui sont portées par un carter annulaire externe, en général d'un compresseur de la turbomachine. Chaque aube comprend une pale qui est reliée à son extrémité radialement externe par une platine à contour sensiblement circulaire à un pivot cylindrique sensiblement radial qui définit l'axe de rotation de l'aube et qui est guidé en rotation dans un orifice correspondant du carter externe. L'extrémité radialement interne de la pale de chaque aube comprend en général un second pivot cylindrique s'étendant le long de l'axe de rotation de l'aube et guidé en rotation dans un orifice d'une virole interne du compresseur. L'extrémité radialement externe du pivot externe de chaque aube est reliée par une biellette à un anneau de commande déplacé en rotation autour du carter externe par des moyens d'actionnement à vérin ou analogue. La rotation de l'anneau de commande est transmise par les biellettes aux pivots externes des aubes et les fait tourner autour de leurs axes. Le calage angulaire des aubes de stator dans une turbomachine est destiné à adapter la géométrie du compresseur à son point de fonctionnement et notamment à optimiser le rendement et la marge au pompage de cette turbomachine et à réduire sa consommation de carburant dans les différentes configurations de vol. Chacune de ces aubes est déplaçable en rotation autour de son axe entre une première position « d'ouverture » ou « de pleine ouverture » dans laquelle chaque aube s'étend sensiblement parallèlement à l'axe 3025564 2 longitudinal de la turbomachine, et une seconde position « de fermeture » ou « de quasi-fermeture » dans laquelle les aubes sont inclinées par rapport à l'axe de la turbomachine et réduisent ainsi la section de passage de l'air à travers la grille d'aubes. 5 Dans le cadre de l'augmentation des taux de dilution pour améliorer les performances des turbomachines, et notamment pour les turbopropulseurs, les architectures moteur conduisent à des compresseurs haute pression de plus en plus petits pour lesquels le contrôle des jeux devient de plus en plus difficile. La maîtrise des jeux dans les systèmes 10 d'aubes à calage variable est donc un enjeu important. Pour une charge aérodynamique globale de l'ordre de 0,4 (donnée par la formule AH/(n.u2), AH étant l'enthalpie entre l'entrée et la sortie d'une turbomachine, n étant le nombre d'étages de rotor, et u leur vitesse d'entraînement en rotation), il est nécessaire de diminuer le pas relatif 15 (donné par la formule S/C, C étant la corde des aubes et S étant le pas inter-aubes) entre les aubes jusqu'à une valeur de 0,5 environ de façon à guider suffisamment l'écoulement d'air. Cependant, pour atteindre cette valeur de pas relatif, les platines des aubes qui doivent rester à distance les unes des autres pour ne pas entrer 20 en contact, ne peuvent couvrir que 50% environ de la corde des aubes. Une partie aval de la pale de chaque aube n'est ainsi pas couverte par la platine et se retrouve en « porte-à-faux » vis-à-vis de la platine. Un jeu radial est nécessaire entre le sommet ou l'extrémité radialement externe de cette partie en « porte à faux » et le carter externe, pour permettre aux 25 aubes de pivoter sans risquer de blocage dans le domaine de fonctionnement du compresseur. On retrouve la même difficulté entre le pied ou l'extrémité radialement interne de la pale et la virole interne, où la présence d'un jeu dans le porte-à-faux est nécessaire pour garantir la libre rotation de l'aube. Toutefois, cela se traduit par des pertes d'efficacité de 30 compression, qui sont d'autant plus grandes que le compresseur est petit car les jeux ne peuvent pas être mis complètement à l'échelle. 3025564 3 La présente invention propose une solution simple, efficace et économique à ce problème. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention propose un système d'aubes à calage variable pour une 5 turbomachine, comportant une première rangée annulaire d'aubes à calage variable s'étendant sensiblement sur une première circonférence, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde rangée annulaire d'aubes à calage variable s'étendant sensiblement sur une seconde circonférence différente de ladite première circonférence, ladite seconde rangée étant 10 située directement en aval de ladite première rangée. L'invention propose ainsi, au sein d'un même étage ou d'une même grille, d'assurer la déviation de l'air au moyen de deux aubes en tandem plutôt qu'une seule aube. Dans la technique antérieure, un étage de compression comprend une rangée annulaire d'aubes à calage variable et 15 une roue mobile de rotor. Les rangées annulaires d'aubes à calage variable de deux étages de compression consécutifs sont séparées l'une de l'autre par une roue mobile. La présente invention diffère de cet art antérieur notamment en ce que deux rangées annulaires d'aubes à calage variable sont adjacentes, sans qu'une roue mobile soit intercalée entre ces rangées. 20 Autrement dit, selon l'invention, un étage de compression comprendrait deux (ou une paire de) rangées annulaires d'aubes à calage variable et une roue mobile qui serait disposée en amont ou en aval des rangées d'aubes à calage variable. Ainsi, le nombre de rangées d'aubes à calage variable de cet étage serait le double de celui de roue mobile. 25 Cette invention permet de résoudre le problème technique précité. En effet, du fait de l'utilisation de deux rangées d'aubes distinctes, les jeux radiaux précités peuvent être diminués voire supprimés en réduisant de manière significative voire en supprimant les parties précitées en porte-à-faux des aubes. 3025564 4 La présente invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - chaque aube de chaque rangée comporte à au moins une de ses 5 extrémités radialement externe et interne une platine à contour sensiblement circulaire, - chaque aube de chaque rangée comporte une pale comportant un bord d'attaque et un bord de fuite, - la pale de chaque aube comprend au moins une partie, parmi une partie 10 amont comportant ledit bord d'attaque et une partie aval comportant ledit bord de fuite, qui est en porte-à-faux vis-à-vis de la platine de l'aube- - le système est configuré de sorte que les aubes des rangées puissent être calées de façon à ce que chaque aube de la seconde rangée s'étende dans le prolongement d'une aube de la première rangée et que le bord 15 d'attaque de cette aube de la seconde rangée soit séparé par un jeu relativement faible du bord de fuite de l'aube de la première rangée, - chaque aube de chaque rangée comporte à au moins une de ses extrémités radialement externe et interne un pivot définissant un axe de rotation de l'aube, 20 - les aubes de la seconde rangée sont disposées sensiblement en quinconce par rapport aux aubes de la première rangée, et - la seconde rangée est sensiblement imbriquée dans la première rangée, - un pas entre les aubes de la première rangée est sensiblement égal au pas correspondant entre les aubes de la seconde rangée, 25 - une corde des aubes de la première rangée est sensiblement égale à une corde correspondante des aubes de la seconde rangée, - une corde des aubes de la première rangée est sensiblement inférieure à un pas entre les aubes de la première rangée, - une corde des aubes de la seconde rangée est sensiblement inférieure à 30 un pas entre les aubes de la seconde rangée. 302 5 5 6 4 5 La présente invention concerne encore une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un système tel que décrit ci-dessus. DESCRIPTION DES FIGURES 5 L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale 10 d'étages d'aubes à calage variable de turbomachine selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une vue schématique partielle de dessus d'un système d'aubes à calage variable de turbomachine selon la technique antérieure ; et 15 - la figure 3 est une vue schématique partielle de dessus d'un système d'aubes à calage variable de turbomachine selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE En figure 1, on a représenté schématiquement, en coupe axiale, une partie d'un compresseur haute-pression 10 d'une turbomachine, telle qu'un 20 turbopropulseur d'aéronef, à plusieurs étages de compression, chaque étage comprenant une rangée annulaire d'aubes mobiles 12 portées par le rotor (non représenté) de la turbomachine et une rangée annulaire d'aubes fixes 14 formant redresseurs portées par un carter 16 du stator de la turbomachine. L'orientation angulaire des aubes 14 est réglable pour 25 optimiser l'écoulement gazeux dans le compresseur 10, les aubes 14 étant couramment appelées aubes à calage variable. Chaque aube 14 comprend une pale 18 et un pivot cylindrique 20 radialement externe, relié par une platine 22 s'étendant perpendiculairement à l'axe 24 de l'aube dans un logement 26 30 correspondant du carter 16. La platine 22 de chaque aube 14 a un contour sensiblement circulaire et forme donc sensiblement un disque. La surface 3025564 6 radialement interne 28 de la platine 22 est alignée avec la paroi interne 30 du carter pour ne pas s'opposer à l'écoulement gazeux. Le pivot cylindrique 20 de chaque aube 14 s'étend à l'intérieur d'une cheminée cylindrique radiale 32 du carter 16 et son extrémité radialement 5 externe est reliée par une biellette 34 à un anneau de commande 36 qui entoure le carter 16 et qui est associé à des moyens d'actionnement (non représentés) permettant de le faire tourner dans un sens ou dans l'autre autour de l'axe longitudinal du carter 16 pour entraîner les aubes 14 d'une rangée annulaire en rotation autour de leurs axes 24. 10 Les aubes 14 sont déplaçables en rotation autour de leurs axes 24 entre une position de fermeture ou de quasi-fermeture et une position d'ouverture ou de pleine ouverture. Dans la position de fermeture, les pales 18 des aubes sont inclinées par rapport à l'axe longitudinal de la turbomachine et définissent entre elles 15 une section minimale de passage d'air dans la veine. Les aubes 14 sont amenées dans cette position lorsque la turbomachine est à bas régime ou au ralenti, le débit d'air s'écoulant dans le compresseur ayant alors une valeur minimale. Dans la position d'ouverture, les pales 18 des aubes s'étendent 20 sensiblement parallèlement à l'axe de la turbomachine de façon à ce que l'angle de sortie des aubes corresponde à un fonctionnement optimum du compresseur pour un débit proche du débit maximum. Les aubes 14 sont amenées dans cette position lorsque la turbomachine est au régime plein gaz, le débit d'air s'écoulant dans le compresseur ayant alors une valeur 25 proche de la valeur maximale. Dans la technique antérieure, le système à calage variable de chaque étage comprend une seule rangée annulaire d'aubes 14, comme cela est visible en figure 1. Comme expliqué dans ce qui précède et représenté en figure 2, on 30 cherche à diminuer le pas relatif (donné par la formule S/C, C étant la corde des aubes 14 et S étant le pas inter-aubes) entre les aubes 14 jusqu'à une 3025564 7 valeur de 0,5 environ de façon à guider suffisamment l'écoulement d'air. Cependant, pour atteindre cette valeur, les platines 22 des aubes 14 ne couvrent que 50% environ de la corde des aubes 14. Une partie aval 38 du profil 18 de chaque aube 14 n'est ainsi pas couverte par la platine 22 et se 5 retrouve en « porte-à-faux » vis-à-vis de la platine 22. Un jeu radial R (figure 1) est nécessaire entre le sommet ou l'extrémité radialement externe de cette partie 38 en porte-à-faux et le carter externe 16, pour permettre aux aubes 14 de pivoter sans risquer de blocage dans le domaine de fonctionnement du compresseur. Toutefois, cela se traduit par des pertes 10 d'efficacité de compression, qui sont d'autant plus grandes que le compresseur est petit car les jeux ne peuvent pas être mis complètement à l'échelle. L'invention permet de remédier à ce problème en ajoutant une autre rangée annulaire d'aubes à calage variable au sein du système précité, 15 c'est-à-dire au sein d'un étage de compression de la technique antérieure. La figure 3 représente un mode de réalisation de l'invention dans lesquels les éléments décrits dans ce qui précède sont référencés par les mêmes chiffres. On constate que la première rangée d'aubes 14 à calage variable, à 20 gauche sur le dessin, s'étend sensiblement sur une première circonférence U1 qui passe sensiblement par les pivots 20 de ces aubes 14. La seconde rangée d'aubes 14 à calage variable, à droite sur le dessin, s'étend sensiblement sur une seconde circonférence U2 qui passe sensiblement par les pivots 20 de ces aubes 14. Les circonférences U1, U2 sont 25 coaxiales et à distance axiale l'une de l'autre. Autrement dit, bien que les rangées d'aubes 14 puissent être imbriquées l'une dans l'autre, en direction axiale, ces rangées ne sont pas confondues. Les rangées d'aubes 14 sont donc adjacentes, la seconde rangée étant ici située directement en aval de la première rangée. 30 Les platines 22 des aubes sont similaires à celles de la technique antérieure. Par contre, chaque aube 14 de la technique antérieure est ici 3025564 8 remplacée par deux aubes 14 successives qui peuvent ainsi avoir une corde C2, C3 individuelle plus faible que celle C de la technique antérieure. Les cordes C2, C3 des aubes 14 de la figure 2 sont sensiblement égales et plus faibles que la corde C de la figure 1. Chaque corde est mesurée entre 5 le bord d'attaque et le bord de fuite des pales des aubes d'une rangée. On note C1, la corde du système complet de la figure 2, à savoir la corde des deux rangées d'aubes 14, mesurée entre le bord d'attaque d'une aube de la première rangée et le bord de fuite de l'aube de la seconde rangée, qui est disposée directement en aval de l'aube de la première rangée par 10 rapport à l'écoulement d'air. La corde Cl intègre donc le jeu entre le bord de fuite de l'aube du premier étage et le bord d'attaque de l'aube du second étage. La corde Cl est sensiblement égale à la corde C. On note en outre S1 et S2 les pas inter-aubes au sein des première et seconde rangées, respectivement. Ces pas S1, S2 sont sensiblement 15 égaux entre eux et au pas S. De plus, pour chaque rangée, la corde C2, C3 des aubes est inférieure au pas Si, S2 entre les aubes de la rangée. Comme on le voit en figure 3, la pale 18 de chaque aube 14 de chaque rangée peut comprendre une partie amont comportant le bord d'attaque et/ou une partie aval comportant le bord de fuite, qui est en porte- 20 à-faux vis-à-vis de la platine 22 de l'aube. Cependant, par rapport à la technique antérieure, on note que la platine couvre plus de 80%, voire 90%, de la corde C1, C2 des aubes 14. Comme expliqué dans ce qui précède, chaque aube 14 de chaque rangée est mobile en rotation autour de l'axe défini par son pivot 20. 25 Comme on le voit en figure 3, le système selon l'invention est configuré de sorte que les aubes 14 des rangées puissent être calées de façon à ce que chaque aube de la seconde rangée s'étende dans le prolongement d'une aube de la première rangée et que le bord d'attaque de cette aube de la seconde rangée soit séparé par un jeu relativement faible du bord de fuite 30 de l'aube de la première rangée (ce jeu étant celui précité intégré dans le calcul de la corde C1). On comprend mieux dans cette position pourquoi 3025564 9 les rangées d'aubes peuvent être assimilées à une unique rangée d'aubes à calage variable en tandem. Dans l'exemple représenté, les aubes 14 de la seconde rangée sont disposées sensiblement en quinconce par rapport aux aubes 14 de la 5 première rangée. Par ailleurs, comme indiqué dans ce qui précède, la seconde rangée est sensiblement imbriquée dans la première rangée. Les aubes 14 des deux rangées peuvent être orientées au moyen d'un unique anneau de commande 36 similaire à ceux utilisés dans la technique antérieure. 10 L'extrémité radialement externe du pivot 20 de chaque aube 14 de chaque rangée est alors reliée par une biellette à un anneau de commande 36, qui entoure le carter 16 et qui est associé à des moyens d'actionnement (non représentés) permettant de le faire tourner dans un sens ou dans l'autre. 15 L'anneau de commande 36 est schématiquement représenté par des traits pointillés. Trois positions différentes de l'anneau 36 sont ici représentées. L'anneau 36 peut en effet s'étendre en amont des rangées, entre les rangées, ou en aval des rangées. Lorsque l'anneau 36 est en amont ou en aval, une rotation de l'anneau 36 va entraîner une rotation des 20 aubes 14 autour de leurs axes dans un même sens. Au contraire, lorsque l'anneau 36 est entre les rangées, une rotation de l'anneau 36 va entraîner une rotation des aubes de la première rangée dans le sens contraire du sens de rotation des aubes de la seconde rangée. Comme expliqué dans ce qui précède, l'invention permet d'améliorer 25 l'étanchéité des aubes à calage variable. Elle permet aussi de réduire les contraintes entre la pale et la platine car chaque platine maintient une pale beaucoup plus légère et subissant beaucoup moins d'efforts aérodynamiques que dans la configuration à une seule rangée d'aubes. Elle permet donc de réduire les rayons de raccordement et les épaisseurs 30 des profils en pied et en tête des aubes ce qui a pour conséquence d'en améliorer les performances aérodynamiques. De plus, à régime partiel, la 3025564 10 loi de fermeture des aubes peut être différente pour la première rangée et la seconde rangée. Si on ferme moins la seconde rangée que la première rangée, on peut diminuer fortement les pertes de blocage tout en conservant le même angle de sortie et donc améliorer le rendement à 5 régime partiel et la marge au pompage. Ce rendement est augmenté d'autant plus que les aubes en tandem ont de meilleures performances en termes de tenue à l'incidence. Or, les aubes subissent de très fortes incidences à régime partiel. Le bilan est donc très positif du point de vue aérodynamique. 10 REVENDICATIONS1. Système d'aubes (14) à calage variable pour une turbomachine, comportant une première rangée annulaire d'aubes à calage variable s'étendant sensiblement sur une première circonférence (U1), caractérisé en ce qu'il comprend une seconde rangée annulaire d'aubes (14) à calage variable s'étendant sensiblement sur une seconde circonférence (U2) différente de ladite première circonférence, ladite seconde rangée étant située directement en aval de ladite première rangée. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel chaque aube (14) de chaque rangée comporte à au moins une de ses extrémités radialement externe et interne une platine (22) à contour sensiblement circulaire. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque aube (14) de chaque rangée comporte une pale (18) comportant un bord d'attaque et un bord de fuite. 4. Système selon la revendication 3, en dépendance de la revendication 2, dans lequel la pale (18) de chaque aube (14) comprend au moins une partie, parmi une partie amont comportant ledit bord d'attaque et une partie aval comportant ledit bord de fuite, qui est en porte-à-faux vis-à-vis de la platine (22) de l'aube. 5. Système selon la revendication 3 ou 4, dans lequel il est configuré de sorte que les aubes (14) des rangées puissent être calées de façon à ce que chaque aube de la seconde rangée s'étende dans le prolongement d'une aube de la première rangée et que le bord d'attaque de cette aube de la seconde rangée soit séparé par un jeu relativement faible du bord de fuite de l'aube de la première rangée. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque aube (14) de chaque rangée comporte à au moins une de ses extrémités radialement externe et interne un pivot (20) définissant un axe de rotation de l'aube. 3025564 12 7. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les aubes (14) de la seconde rangée sont disposées sensiblement en quinconce par rapport aux aubes de la première rangée. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la 5 seconde rangée est sensiblement imbriquée dans la première rangée. 9. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel : - un pas (51) entre les aubes (14) de la première rangée est sensiblement égal au pas (S2) correspondant entre les aubes de la seconde rangée, et/ou 10 - une corde (C2) des aubes de la première rangée est sensiblement égale à une corde (C3) correspondante des aubes de la seconde rangée, et/ou - une corde (C2) des aubes de la première rangée est sensiblement inférieure à un pas (51) entre les aubes de la première rangée et/ou, 15 - une corde (C3) des aubes de la seconde rangée est sensiblement inférieure à un pas (S2) entre les aubes de la seconde rangée. 10. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un système selon l'une des revendications précédentes. 20