Brevet FR3050227A1 — publié le 20171020

AUBE FIXE, NOTAMMENT D'UN REDRESSEUR D'ECOULEMENT DESCRIPTION L'invention présente concerne une aube fixe, notamment d'un redresseur d'écoulement. Les redresseurs d'écoulement sont des cercles d'aubes fixes présents dans les turbomachines pour modifier (redresser) la direction de l'écoulement de gaz après des étages d'aubes mobiles du rotor. Ils sont souvent composés de portions en secteurs de cercle, placées en prolongement les unes des autres et retenues dans une gorge du stator. Cette construction est à l'origine de vibrations de niveaux élevés en service, qu'on veut réduire avec l'invention. Les modes propres de ces redresseurs sectorisés sont en effet nombreux, et les déformations qu'ils engendrent peuvent devenir assez importantes pour provoquer des criques de fissuration, surtout si elles se superposent pour plusieurs modes de fréquences voisines. Le procédé le plus habituel pour atténuer les vibrations d'une structure consiste à lui ajouter des éléments amortissants ou à la raidir, ce qui n'est guère envisageable ici, où les contraintes aérodynamiques restent prépondérantes dans la conception des aubes, et où l'alourdissement des turbomachines utilisées dans l'aéronautique n'est pas recherché. On a alors choisi de procéder en modifiant la forme de l'aube, sans affecter sa masse. Il est apparu qu'une légère modification de forme, n'ayant que peu d'influence sur le comportement aérodynamique de l'aube, pouvait avoir un effet de rigidification important à l'égard d'un mode particulier de vibration, qui est souvent à l'origine de réponses vibratoires excessives, alors que les spécifications de limite de réponse vibratoire sont mieux respectées par les autres modes principaux de l'aube. Ce mode est un deuxième mode de torsion (qu'on peut abréger en « mode 2T »), et le procédé par lequel la réponse vibratoire de ce mode est amoindrie peut être exprimé par une double déviation des empilements des sections de l'aube en superposition radiale par rapport à une aube ordinaire : une déviation est imposée en direction axiale, et une autre 3050227 2 en direction tangentielle, et les déviations ont des maximums de sens opposés à l'un des ventres de vibration de ce mode, à environ un tiers de la hauteur de l'aube, et à hauteur de l'autre ventre, aux deux tiers, pour chacune de ces déviations. Un exemple d'aube déviée pour atténuer sa réponse vibratoire se trouve 5 décrit dans le document FR 2 981 396 Al. La déviation consiste en un bombement de l'aube en direction tangentielle (concavité à une face, convexité à la face opposée) à un emplacement indéterminé en direction de hauteur (direction radiale de la machine), coexistant avec une partie rectiligne à au moins une des extrémités dans la direction de hauteur. La nature de l'atténuation de la réponse vibratoire n'est pas précisée, et on doit 10 donc supposer qu'elle concerne un grand nombre de modes propres ; mais comme on l'a déjà signalé, le comportement des aubes ordinaires est, souvent, insuffisant seulement pour un petit nombre de modes propres, de sorte que l'invention antérieure peut conduire à affecter le fonctionnement de l'aube, en particulier ses performances aérodynamiques, sans assurer de bénéfice véritable quant à son comportement vibratoire. L'invention 15 présente implique une définition plus précise de la forme d'aube pour un effet privilégié sur un mode propre particulier. Plus précisément, un aspect général de l'invention présente une aube fixe, notamment de redresseur d'écoulement d'une turbomachine, la turbomachine définissant une direction axiale, l'aube étant caractérisée en ce que, dans au moins une 20 coupe perpendiculaire à la direction axiale, elle comprend une ligne d'intrados et une ligne d'extrados dont l'une possède une concavité, puis une convexité superposées dans un sens radial extérieur, et l'autre possède une convexité, puis une concavité superposées dans le sens radial extérieur, et elle comprend des bords d'attaque et de fuite, dont l'un possède, dans une vue dans une direction tangentielle tournant autour de la direction axiale, une 25 première concavité, et l'autre des bords possède une première convexité. Avantageusement, le premier (« l'un ») de ces bords possède aussi soit une convexité soit une deuxième concavité plus faible que la première concavité, superposée à la première concavité un sens radial extérieur, et le second (« l'autre »), soit une concavité soit une seconde convexité plus faible que la première convexité, superposée à la première convexité dans le sens radial extérieur. 3050227 3 De façon préférée, les convexités et les concavités ont des maximums situés à (0,33 + 0,05) h, et (0,67 + 0,05) h, où h est une distance séparant une extrémité de pied et une extrémité de tête de l'aube dans une direction radiale de la turbomachine, perpendiculaire à la direction axiale. 5 Les concavités et les convexités formées par les déviations des empilements peuvent avoir une profondeur de 0,5 mm au moins, voire près de 1 mm pour une hauteur typique d'aube de quelques centimètres entre ses extrémités de rayon extérieur et de rayon intérieur. D'autres aspects de l'invention sont un secteur de redresseur de 10 turbomachine comprenant de telles aubes, et une turbomachine comprenant un étage redresseur composé de tels secteurs. Les différents aspects, caractéristiques et avantages de l'invention seront maintenant plus particulièrement illustrés en liaison aux figures suivantes, qui en représentent un mode de réalisation particulier : 15 - la figure 1 illustre un redresseur sectorisé, et la réponse vibratoire de ses aubes à un mode propre important ; - les figures 2 et 3 illustrent l'aube de l'invention, en vue tangentielle et en coupe perpendiculaire à la direction axiale ; - et la figure 4 illustre une variante de réalisation de l'aube. 20 La figure 1 représente schématiquement un secteur de redresseur 1 de turbomachine, s'étendant en arc de cercle et pourvu d'un certain nombre d'aubes 2 s'étendant entre une virole intérieure 3 et une virole extérieure 4 qui sont concentriques. La turbomachine définit une direction axiale X qui correspond à l'axe de rotation d'un rotor non représenté et, approximativement, à l'écoulement des gaz dans la turbomachine, une 25 direction radiale R perpendiculaire à la précédente et une direction tangentielle 0 tournant autour de la direction axiale X. Les aubes 2 s'allongent approximativement dans la direction radiale R, entre un rayon de pied R1 affleurant à la virole interne 3 et un rayon de tête R2 affleurant à la virole extérieure 4. Et le secteur de redresseur 1 s'étend dans la direction tangentielle 0. La turbomachine, classique par ailleurs, n'est pas davantage représentée. 3050227 4 On a représenté, pour deux aubes 2, des courbes de déformation 91 et 92 pour un des deuxièmes modes de torsion 2T à des phases différentes d'oscillations. Ce mode comprend deux ventres de vibration approximativement situés au tiers et aux deux tiers de la hauteur de l'aube 2 (à 0,33 h et 0,67 h, ou aux rayons (2R1 + R2)/3 et (2R2 + 5 R1)/3). Il a été constaté que la réponse vibratoire d'aubes usuelles était particulièrement élevée pour ce mode particulier de vibration, et on a cherché à réduire cette réponse avec l'invention. Les figures 2 et 3 représentent les aubes 2 caractéristiques de l'invention respectivement en vue dans la direction tangentielle 0 et la direction axiale X. La figure 2 10 illustre une modification des conditions d'empilement des sections de l'aube 2 aux différents rayons. Par rapport au bord d'attaque 105 et au bord de fuite 106 d'une aube traditionnelle, les bords d'attaque 5 et de fuite 6 de l'aube 2 de l'invention sont modifiés, de manière à avoir, à partir du rayon de pied R1 dans le sens radial extérieur, une déviation en direction axiale X d'abord croissante, puis décroissante, et enfin de nouveau croissante 15 pour redevenir nulle au rayon de tête R2. On obtient ainsi des courbes sinueuses comprenant chacune une concavité et une convexité superposées, dont les maximums sont à environ au tiers et aux deux tiers de hauteur de l'aube, donc près des hauteurs des ventres de vibration, par exemple à (0,33 + 0,05) h et (0,67 + 0,05) h, où h = R2 - R1. Si l'empilement des sections est ainsi modifié par ces translations dans la direction X, les 20 sections de l'aube 2 ne sont pas elles-mêmes modifiées par rapport aux sections des aubes connues, et l'aube 2 a donc à peu près le même poids et les mêmes performances aérodynamiques. Le bord d'attaque 5 comporte donc une convexité 7 aux deux tiers de la hauteur, qui est superposée à une concavité 8 au tiers de cette hauteur dans le sens radial extérieur (sens de la flèche R) ; la situation est inversée pour le bord de fuite 6, à savoir 25 qu'une concavité 9 aux deux tiers de la hauteur est superposée à une convexité 10 au tiers de cette hauteur. Dans une réalisation pratique, correspondant à une aube 2 ayant une hauteur h de 30 mm et une corde de 25 mm, les valeurs des déviations, appelées profondeurs, maximales ont été de + 0,85 mm, soit 3,4 % de la corde de l'aube 2, pour la concavité 8 et la convexité 10 (déviation vers l'aval de l'écoulement, ou X positif), et 3050227 5 de -0,25 mm, soit 1 % de la corde (vers l'amont de l'écoulement) pour la convexité 7 et la concavité 9. On se reporte maintenant à la figure 3. On retrouve des considérations voisines des précédentes appliquées à l'intrados 11 et à l'extrados 12 : les sections de 5 l'aube 2, par rapport à une aube classique, sont déviées à au moins une coupe perpendiculaire à ces sections, et particulièrement au bord d'attaque 5 ou au bord de fuite 6, d'abord vers l'intrados 11 à partir du rayon de pied R1, de valeurs d'abord croissantes et devenant maximales au tiers de la hauteur h, puis décroissantes, avant de s'inverser et d'être dirigées vers l'extrados 12, jusqu'à une nouvelle amplitude maximale de 10 déplacement au deux tiers de la hauteur ; puis à nouveau le déplacement décroît jusqu'au rayon de tête R2. Ici encore, on obtient des formes comprenant une concavité et une convexité superposées (une concavité 13 superposée à une convexité 14 pour l'intrados 11, et une convexité 15 superposée à une concavité 16 pour l'extrados 12, encore dans le sens radial extérieur). Les hauteurs des déviations les plus importantes peuvent être les 15 mêmes que précédemment. Leurs valeurs peuvent être de -0,28mm (0,9 % de la hauteur h, vers l'intrados 11) au tiers de la hauteur et + 0,74 mm (2,5 % vers l'extrados 12) aux deux tiers de la hauteur. Les lignes d'intrados et d'extrados de l'aube classique de départ portent les références 111 et 112. Les déviations représentées aux figures 2 et 3 ne sont bien entendu pas à l'échelle, mais sont fortement exagérées à des fins illustratives. 20 La description précédente peut devoir être aménagée, et rendue plus générale, pour des aubes fréquemment rencontrées où les bords d'attaque et de fuite ne sont pas rectilignes mais fortement incurvés de manière à former une concavité ou une convexité initiale d'ensemble : la figure 4 illustre une telle aube 2', qui serait concave au bord d'attaque sans déviation 105' et convexe au bord de fuite sans déviation 106' en vue 25 dans la direction tangentielle O. La description précédente s'applique en tenant compte de ces courbures initiales d'ensemble : le bord d'attaque 5' de l'aube 2' modifiée selon l'invention comprend ici, dans le sens radial extérieur R, une première concavité 8' au tiers de la hauteur h, puis soit une convexité (de courbure faible), soit une portion à peu près rectiligne ou même une seconde concavité (plus faible que la première) 7' aux deux tiers 30 de la hauteur h ; et de même, le bord de fuite 6' comprend, dans le même sens radial 3050227 6 extérieur R, une première convexité 10', puis soit une concavité (de courbure faible), soit une portion à peu près rectiligne ou même une seconde convexité (plus faible que la première) 9', superposées encore au tiers et aux deux tiers de la hauteur h. Les modifications proposées ici permettent d'atténuer fortement la 5 réponse vibratoire de l'aube 2 ou 2' à la fréquence de résonance d'un des deuxièmes modes de torsion, pour lequel les limites spécifiées sont souvent outrepassées. Le comportement de l'aube 2 à l'égard des autres modes est modifié également, mais faiblement, de sorte qu'on n'a pas créé ailleurs dans le domaine fréquentiel des réponses vibratoires inadmissibles. D'autres modifications de la forme d'aube connue, qui avaient 10 aussi l'avantage d'atténuer la réponse vibratoire de ce deuxième mode de torsion, faisaient au contraire apparaître des réponses vibratoires importantes ailleurs, de sorte qu'elles n'ont pas été retenues dans la présente invention. Les contraintes mécaniques ont été également réduites, notamment au bord d'attaque 5, grâce à la forte concavité 8 ou 8'. 15 REVENDICATIONS1. Aube fixe, notamment de redresseur d'écoulement d'une turbomachine, la turbomachine définissant une direction axiale (X), l'aube (2, 2') étant caractérisée en ce que, dans au moins une coupe perpendiculaire à la direction axiale, elle comprend une ligne d'intrados (11) et une ligne d'extrados (12) dont l'une possède, dans une vue dans une direction tangentielle (0) de tournant autour de la direction axiale, une concavité, puis une convexité superposées dans un sens radial extérieur, et l'autre possède une convexité, puis une concavité superposées dans le sens radial extérieur, et elle comprend des bords d'attaque (5, 5') et de fuite (6, 6'), dont l'un possède une première concavité, et l'autre possède une première convexité. 2. Aube fixe de redresseur selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit un des bords d'attaque et de fuite possède aussi soit une convexité soit une seconde concavité plus faible que la première concavité, superposée à la première concavité dans un sens radial extérieur, et ledit autre des bords d'attaque et de fuite possède aussi soit une concavité soit une seconde convexité, plus faible que la première convexité superposée à la première convexité dans le sens radial extérieur. 3. Aube fixe du redresseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdites concavités et convexités ont des maximums situés à (0,33 + 0,05) h, et (0,67 + 0,05) h, où h est une distance séparant une extrémité de pied et une extrémité de tête de l'aube, dans une direction radiale (R) de la turbomachine perpendiculaire à la direction axiale. 4. Aube fixe de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 3, caractérisée en ce que les concavités et les convexités ont au moins 0,5 mm de profondeur. 5. Aube fixe de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le bord d'attaque (5, 5') possède la première concavité. 6. Aube fixe de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la ligne d'intrados (11) possède la convexité, puis la concavité superposées dans le sens radial extérieur. 3050227 8 7. Secteur de redresseur (1) de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte des aubes (2, 2') selon l'une quelconque des revendications précédentes. 8. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend un étage redresseur composé de secteurs de redresseur selon la revendication 7.