Brevet FR3081943A1 — publié le 20191206

COMPRESSEUR POUR UNE TURBOMACHINE DOMAINE [1] La présente invention concerne un compresseur pour une turbomachine, telle par exemple qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. CONTEXTE [2] La figure 1 représente une turbomachine 1 de l'art antérieur, en particulier un turboréacteur à double flux. [3] Le flux d'air ou de gaz circulant au travers de la turbomachine 1 est dirigé de l'amont vers l'aval, c'est-à-dire de gauche à droite à la figure 1. [4] La turbomachine 1, d'axe X, comporte classiquement une soufflante 2 en aval de laquelle s'étend : - une veine primaire 3 dans laquelle s'écoule un flux primaire, ladite veine primaire traversant notamment, dans le sens d'écoulement du flux primaire, un compresseur basse-pression 3', un compresseur haute-pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute-pression 6 et une turbine basse-pression 7, la veine primaire étant délimitée extérieurement au niveau de la turbine par un carter 8, - une veine secondaire référencée 9, dans laquelle s'écoule un flux secondaire distinct du flux primaire. [5] La veine secondaire 9 est entourée par une nacelle 10 formant un carénage pour la turbomachine 1. [6] La figure 2 illustre un compresseur basse-pression 4 de l'art antérieur comportant une veine annulaire 3 d'écoulement du flux d'air ou veine primaire, et trois étages de compression El, E2, E3 successifs. Chaque étage de compression El, E2, E3 comporte une partie formant un stator et une partie formant un rotor. Chaque rotor comporte une rangée d'aubes 11 s'étendant radialement dans la veine 3. Chaque aube 11 du rotor comporte 2 une pale 12, formant la partie profilée s'étendant dans la veine 3, ladite pale 12 comportant une extrémité radialement interne 13 rattachée à un pied 14 de l'aube 11, solidaire d'un disque 15 du rotor, et une extrémité radialement externe 16 appelée également tête. 5 [007] La partie formant stator de chaque étage de compression comporte une rangée d'aubes 17 de stator, formant un étage redresseur, c'est-à-dire permettant de redresser le flux d'air F ayant traversé la roue de rotor située en amont. Comme précédemment, chaque aube de stator 17 comporte une extrémité radialement interne 18 appelée pied, et une extrémité radialement 10 externe 19 appelée tête. [008] Les termes amont et aval sont définis par rapport au sens de circulation du flux d'air F. Par ailleurs, les termes axial et radial sont définis par rapport à l'axe X du compresseur, qui est également l'axe de la turbomachine 1. 15 [009] En fonctionnement, la turbomachine est soumise à différentes phases de fonctionnement, à savoir notamment des phases de démarrage ou de régime partiel, des phases dites transitoires et des phases de régime de croisière. Une phase de régime partiel est une phase lors de laquelle la turbomachine fonctionne à un régime égal à une fraction du régime nominal 20 de la turbomachine. Le régime de croisière est généralement un régime proche du régime nominal. Enfin, une phase de fonctionnement transitoire est une phase lors de laquelle intervient une variation du régime de fonctionnement. [010] Quelle que soit la phase de fonctionnement de la turbomachine, il 25 convient d'éviter le phénomène de pompage. Un tel phénomène peut survenir lorsque la différence de pression entre l'entrée et la sortie du compresseur est trop élevée, créant des instabilités appelées également décollements, apparaissant au niveau des aubes du compresseur. De tels décollements peuvent intervenir en pied ou en tête des pales du stator. 3 [11] Le décrochage aérodynamique se produisant alors ne permet plus de diriger le flux d'air de l'amont vers l'aval, provoquant un écoulement inverse d'au moins une partie de l'air de l'aval vers l'amont. [12] Un tel phénomène apparaît lorsque le débit du compresseur devient 5 trop faible et/ou que le taux de compression devient trop élevé. On rappelle que le taux de compression est le rapport de la pression en aval du compresseur sur la pression en amont du compresseur. [13] Un tel phénomène est néfaste pour le fonctionnement et le rendement de la turbomachine et peut provoquer des dégradations. 10 [014] Afin d'éviter qu'un tel phénomène intervienne, en particulier dans les phases de régimes transitoires, le compresseur doit être conçu pour disposer d'une marge au pompage importante, c'est-à-dire posséder une grande tolérance aux différentes variations de régime, notamment lors des différentes phases de fonctionnement, sans générer de phénomène de 15 pompage. Par ailleurs, le compresseur doit être conçu pour maximiser son rendement, en particulier lors des phases de croisière. [015] De manière générale, les choix de conception tendant à maximiser la marge au pompage génèrent une dégradation du rendement du compresseur, et inversement. 20 [016] Afin de limiter l'apparition du phénomène de pompage, il est possible d'avoir recours à l'utilisation de clapets de décharge, une partie du flux d'air étant alors extraite de la veine au travers des clapets, pénalisant ainsi le rendement de la turbomachine. [017] Une autre solution technique permettant de limiter l'apparition du 25 phénomène de pompage est l'utilisation d'aubes à calage variable sur chaque étage du compresseur. La mise en oeuvre d'une telle solution technique est complexe et engendre un surcoût important ainsi qu'une augmentation de la masse du compresseur. RESUME DE L'INVENTION 4 [18] L'invention vise à répondre aux différentes contraintes techniques précitées, de manière simple et fiable. [19] A cet effet, l'invention concerne un compresseur pour une turbomachine, le compresseur s'étendant selon un axe et comportant une 5 veine d'écoulement d'un flux d'air délimitée par une virole radialement interne et une virole radialement externe, et au moins un étage de compression, l'étage de compression comportant au moins une rangée d'aubes de rotor et au moins une rangée d'aubes de stator, située en aval de la rangée d'aubes de rotor par rapport au sens d'écoulement du flux d'air 10 au sein de la veine, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un obturateur monté au niveau de la virole radialement externe ou de la virole radialement interne de la veine, ledit obturateur étant mobile entre au moins une première position dans laquelle ledit obturateur ne s'étend pas à l'intérieur de la veine et affleure la surface en regard de la veine de la virole dans laquelle il est 15 monté, et une deuxième position dans laquelle ledit obturateur s'étend, au moins en partie, à l'intérieur de la veine de manière à l'obstruer partiellement, l'obturateur étant monté pivotant sur une partie fixe du compresseur. [20] L'obturateur, lorsqu'il est déplacé dans sa deuxième position, déplace une partie du flux d'air en direction de la zone de l'aube dans laquelle il existe 20 un risque de décollement. Un tel déplacement permet de recoller le flux d'air dans les zones sensibles et retarde ainsi l'apparition du phénomène de pompage. En d'autres termes, le déplacement de l'organe d'obturation pour une courte période de fonctionnement permet de décaler favorablement la limite de pompage et augmente ainsi la marge de pompage. On notera que, 25 lors d'une période de régimes transitoires ou de régime partiel, le rendement du compresseur peut être dégradé au profit d'une augmentation de la marge de pompage. [21] Le compresseur peut comporter plusieurs obturateurs régulièrement répartis sur la circonférence de la virole radialement interne ou externe. 30 [022] Le ou chaque obturateur est monté au niveau de la virole radialement externe. 5 [23] Dans ce cas, l'obturateur permet de recoller le flux d'air au niveau des zones de pied de l'aube, c'est-à-dire au niveau des extrémités radialement internes des pales. Une telle solution peut être choisie lorsque la zone générant un risque de pompage, ou zone limitante, est la zone située en pied 5 de pale. [24] Chaque obturateur peut être monté au niveau de la virole radialement interne. [25] Dans ce cas, l'obturateur permet de recoller le flux d'air au niveau des zones de tête de l'aube, c'est-à-dire au niveau des extrémités radialement 10 externes des pales. [26] Le ou chaque obturateur peut s'étendre circonférentiellement sur une plage angulaire comprise entre 4 et 90°. [27] La valeur minimale de la plage angulaire précitée peut correspondre sensiblement à un pas inter-aubes. 15 [028] Chaque obturateur peut être monté au niveau de la virole radialement externe, l'axe de rotation de chaque obturateur étant décalé radialement par rapport à la surface interne de la virole externe, à l'opposé de la veine. [029] L'obturateur peut être situé axialement en aval d'un premier étage de compression, et en amont d'un deuxième étage de compression. 20 [030] L'obturateur peut également être situé entre le rotor et le stator d'un même étage de compression. [031] On notera que, dans un compresseur, la section de la veine au niveau du premier étage de compression est plus importante que la section de la veine au niveau du second étage de compression. 25 [032] Au moins un obturateur peut également être mobile dans une troisième position dans laquelle ledit obturateur est écarté de la veine et n'affleure pas la virole correspondante de la veine. [033] La troisième position correspond au cas où l'obturateur est en position rétractée dans la virole correspondante, de façon à augmenter localement la 30 section de la veine, par comparaison avec la première position. Le déplacement de l'obturateur dans cette troisième position permet de recoller 6 le flux d'air sur les aubes situées en amont. On augmente ainsi la marge de pompage au niveau de l'étage situé directement en amont de l'obturateur, lorsque cet étage est l'étage critique concernant le phénomène de pompage. [34] Pour rappel, la première position correspond au cas où l'obturateur 5 n'a pas d'influence sur la marge au pompage ou sur le rendement du compresseur. [35] La deuxième position correspond au cas où l'obturateur réduit la section de la veine dans le plan passant par l'obturateur. Dans cette deuxième position, le flux d'air est recollé sur le pied des aubes situées en 10 aval. On augmente ainsi la marge de pompage au niveau de l'étage situé directement en aval de l'obturateur, lorsque cet étage est l'étage critique concernant le phénomène de pompage. [36] L'invention concerne également une turbomachine comportant au moins un compresseur du type précité. 15 [037] La turbomachine est par exemple un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. [038] L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés. 20 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une turbomachine de l'art antérieur ; - la figure 2 est une demi-vue en coupe axiale d'un compresseur basse-pression de l'art antérieur ; 25 - la figure 3 est une demi-vue schématique d'une partie d'un compresseur selon une forme de réalisation de l'invention ; - les figures 4 et 5 sont des vues d'un détail de la figure 3, représentant un obturateur respectivement dans la première position et dans la deuxième position ; 7 - la figure 6 est un diagramme représentant la courbe caractéristique de l'évolution du taux de compression en fonction du débit traversant le compresseur, pour l'étage de compression situé directement en aval de l'obturateur ; 5 - la figure 7 est une vue en coupe d'une partie d'un compresseur selon une variante de réalisation de l'invention ; - la figure 8 est une vue selon un plan radial illustrant une forme de réalisation de l'invention ; - la figure 9 est une vue correspondant à la figure 8, illustrant une autre 10 forme de réalisation de l'invention ; - les figures 10 à 12 sont des vues illustrant une partie d'un compresseur selon une autre forme de réalisation, respectivement dans la première position, la deuxième position et la troisième position de l'obturateur. DESCRIPTION DETAILLEE 15 [039] La figure 3 représente une partie d'un compresseur haute-pression 4 d'une turbomachine 1, telle par exemple qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Le compresseur 4 comporte une veine d'écoulement d'air 3 ou veine primaire, de forme générale annulaire et dont seule une partie est représentée ici. Ladite veine 3 comporte une paroi 20 annulaire ou virole radialement interne 20, une paroi annulaire ou virole radialement externe 21, lesdites viroles 20, 21 étant coaxiales. Comme cela est illustré à la figure 7, chaque paroi annulaire ou virole 20, 21 peut être constituée de plusieurs éléments adjacents ou viroles 21a adjacentes, et délimitant la veine 3, comme cela est connu en soi. 25 [040] La virole interne 20 est reliée à un moyeu 23, la virole externe 21 étant reliée à un carter externe 8. Deux étages de compression El, E2 du compresseur haute-pression 4 sont représentés ici. Le premier étage de compression El est situé en amont du second étage de compression E2. 8 Les termes amont et aval sont définis par rapport au sens de circulation du flux d'air F au sein de la veine 3. [41] Chaque étage de compression El, E2 comporte une partie mobile formant un rotor et une partie fixe formant un stator. Le rotor de chaque étage 5 El, E2 comporte classiquement une rangée d'aubes de rotor 11. Chaque aube de rotor 11 comporte une pale 12 et un pied d'aube, séparés par une plate-forme. Lesdites plates-formes délimitent intérieurement la veine de circulation d'air 3. L'extrémité radialement interne 13 de la pale 12 est appelée zone de pied et l'extrémité radialement externe 16 de la pale 12 est 10 appelée zone de tête. Les aubes de rotor 11 sont montées autour d'un disque qui est apte à être entraîné en rotation. [42] Le stator de chaque étage de compression comporte une rangée d'aubes de stator 17, située en aval de la rangée d'aubes de rotor. Les aubes de stator forment un redresseur apte à redresser le flux d'air issu de la 15 rangée d'aubes de rotor située en amont. Chaque aube de stator 17 comporte une extrémité radialement interne ou zone de pied 18, et une extrémité radialement externe ou zone de tête 19. [43] Dans la forme de réalisation représentée à la figure 3, on supposera que la zone critique concernant le phénomène de pompage est la zone de 20 pied des aubes de stator 17 du premier étage El, des décollements du flux d'air pouvant apparaître au niveau de cette zone. Le dimensionnement du compresseur peut être réalisé de manière à ce que la zone limitante soit la zone de pied. [44] Afin d'éviter de tels décollement ainsi que l'apparition du phénomène 25 de pompage, des obturateurs 24 sont montés au niveau de la virole externe 21, axialement entre la rangée d'aubes de rotor 11 et la rangée d'aubes de stator 17. Comme cela est mieux visible aux figures 4 et 5, chaque obturateur 24 est monté pivotant autour d'un axe 25 s'étendant circonférentiellement. Ledit axe 25 est par exemple situé dans une zone amont et radialement 30 interne de l'obturateur 24. Ledit axe 25 est décalé par rapport à la surface 9 radialement interne 26 de la virole externe 21, à l'opposé de la veine 3, c'est-à-dire décalé vers l'extérieur par rapport à ladite surface 26. [045] Chaque obturateur 24 est actionné par un actionneur illustré ici schématiquement par une liaison glissière 27 orientée radialement. Chaque 5 obturateur 24 peut être actionné entre une première position (figure 4) dans laquelle ledit obturateur 24 ne s'étend pas à l'intérieur de la veine 3 et affleure la virole radialement externe 21, et une deuxième position (figure 5) dans laquelle ledit obturateur 24 s'étend, au moins en partie, à l'intérieur de la veine 3 de manière à l'obstruer partiellement. 10 [046] Le nombre d'obturateurs 24 peut varier en fonction des applications. La figure 8 illustre par exemple le cas où le compresseur 4 comporte quatre obturateurs 24 régulièrement répartis sur la circonférence de la virole externe 21. La figure 9 illustre le cas où le compresseur 4 comporte huit obturateurs 24 régulièrement répartis sur la circonférence de la virole externe 21. 15 [047] Chaque obturateur 24 peut s'étendre circonférentiellement sur une plage angulaire comprise entre 4°, dans le cas d'un obturateur 24 situé en regard de chaque aube 17, et 90°, dans le cas de quatre obturateurs 24. La valeur de 4° est du même ordre de grandeur qu'un pas inter-aubes. [48] La longueur de l'axe de pivotement 25 et la position radiale de l'axe 20 25 par rapport à la virole externe 21 sont adaptées à l'extension circonférentielle de chaque obturateur 24. [49] L'obturateur 24 est de préférence dépourvu d'ouverture et assure l'étanchéité de la veine 3 quelle que soit sa position en fonctionnement. [50] L'effet d'un tel obturateur 24 va maintenant être expliqué en référence 25 au diagramme de la figure 6. [51] Ce diagramme représente la courbe caractéristique de l'évolution du taux de compression Tc en fonction du débit réduit d'air D traversant l'étage de compression situé directement en aval de l'obturateur 24, c'est-à-dire pour le deuxième étage E2. 30 [052] Lors du fonctionnement de la turbomachine 1, le point de fonctionnement de cet étage E2 se déplace le long de la courbe C en fonction 10 notamment du régime réduit de cet étage E2. L'extrémité à gauche de la courbe C est la limite de pompage Lp. La limite de pompage Lp a pour coordonnées (Tcmax, Dmin). En d'autres termes, si le taux de compression Tc atteint la valeur Tcmax, ou si le débit d'air au sein du compresseur 4 est 5 réduit jusqu'à la valeur Dmin, alors un phénomène de pompage apparaît. [053] On suppose que le point Po, de coordonnées (Tco, Do) représente un point de fonctionnement quelconque du compresseur 4, dans lequel chaque obturateur 24 est dans sa première position illustrée à la figure 4. La marge au pompage est la distance séparant le point Po de la limite de pompage Lp. 10 [054] Si l'on déplace chaque obturateur 24 dans sa deuxième position, illustrée à la figure 5, le point de fonctionnement est déplacé au point Pi, de coordonnées (Ti, Di). On constate que la distance entre Lp et Pi, en d'autres termes la marge de pompage, est alors augmentée par le déplacement des obturateurs 24. 15 [055] L'invention illustre le cas où les obturateurs 24 sont disposés au niveau de la virole externe 21. Il est également possible de disposer les obturateurs 24 au niveau de la virole interne 20, dans le cas où le décollement du flux d'air à l'origine d'un phénomène de pompage se situe dans les zones de tête 19 des aubes 17 concernées. 20 [056] Par ailleurs, les moyens permettant l'actionnement des obturateurs 24 peuvent être un système composé d'un anneau mobile autour de la virole, relié par des bielles aux obturateurs 24, à la manière des moyens d'actionnement d'aubes à calage variable. [057] Les figures 10 à 12 illustrent une autre forme de réalisation de 25 l'invention. Dans cette forme de réalisation, les obturateurs 24 sont disposés axialement entre les aubes de stator 17 du premier étage El et les aubes de rotor 11 du second étage E2. La veine 3 présente une forme générale coudée. La section 51 de la veine 3 au niveau du premier étage El est supérieure à la section S2 de la veine 3 au niveau du second étage E2. On 30 désigne par S la section au niveau du plan radial passant par les obturateurs 24. La surface radialement interne 29 de chaque obturateur 24, c'est-à-dire 11 la surface tournée vers la veine 3, comporte une portion amont 29a plane s'étendant dans le prolongement de la surface interne 26 de la virole externe 21 au niveau du premier étage El. Ladite surface radialement interne 29 de chaque obturateur 24 comporte en outre une portion aval plane 29b 5 s'étendant dans le prolongement de la surface interne 26 de la virole externe 21 au niveau du deuxième étage E2. [58] Les deux portions planes 29a, 29b forment un angle l'une par rapport à l'autre, par exemple un angle compris entre -30 et 30°. [59] Dans cette forme de réalisation, l'obturateur 24 est mobile entre la 10 première position, illustrée à la figure 10, la deuxième position, illustrée à la figure 11, et une troisième position, illustrée à la figure 12. [60] Dans la première position, comme précédemment, la surface interne 29 de l'obturateur 24 affleure la surface interne 26 de la virole externe 21. Dans la première position, l'obturateur 24 n'a pas d'influence sur la marge 15 au pompage. [61] Dans la seconde position, comme précédemment, l'obturateur 24 s'étend au moins en partie dans la veine 3, de manière à réduire la section S. Dans cette deuxième position, le flux d'air F est recollé sur les zones de pied 18 des aubes 11 situées directement en aval. On augmente ainsi la 20 marge de pompage au niveau de l'étage E2 situé directement en aval des obturateurs 24. [62] Dans la troisième position, ledit obturateur 24 est écarté de la veine 3 et n'affleure pas la virole correspondante 21 de la veine 3. On notera que chaque obturateur 24 est conçu pour assurer l'étanchéité de la veine 3 dans 25 cette troisième position. Dans cette troisième position, la section S de la veine 3 est augmentée, par comparaison avec la première position. Le déplacement de l'obturateur 24 dans cette troisième position permet de recoller le flux d'air F sur les aubes 17 de l'étage El situé en amont. On augmente ainsi la marge de pompage au niveau de l'étage El situé 30 directement en amont de l'obturateur 24. 12 [063] L'invention est applicable à un compresseur haute-pression ou à un compresseur basse-pression. On notera par ailleurs que la présence d'obturateurs peut également permettre de limiter le nombre de rangées d'aubes REVENDICATIONS1. Compresseur (4) pour une turbomachine (1), le compresseur (4) s'étendant selon un axe (X) et comportant une veine (3) d'écoulement d'un flux d'air (F) délimitée par une virole radialement interne (20) et une virole radialement externe (21), et au moins un étage de compression (El, E2), l'étage de compression (El, E2) comportant au moins une rangée d'aubes de rotor (11) et au moins une rangée d'aubes de stator (17), située en aval de la rangée d'aubes de rotor (11) par rapport au sens d'écoulement du flux d'air (F) au sein de la veine (3), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un obturateur (24) monté au niveau de la virole radialement externe (21) ou de la virole radialement interne (20), ledit obturateur (24) étant mobile entre au moins une première position dans laquelle ledit obturateur (24) ne s'étend pas à l'intérieur de la veine (3) et affleure la surface en regard de la veine (3) de la virole (20, 21) dans laquelle il est monté, et une deuxième position dans laquelle ledit obturateur (24) s'étend, au moins en partie, à l'intérieur de la veine (3) de manière à l'obstruer partiellement, l'obturateur (24) étant monté pivotant sur une partie fixe du compresseur (4). 2. Compresseur (4) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs obturateurs (24) régulièrement répartis sur la circonférence de la virole radialement interne (20) ou externe (21). 3. Compresseur (4) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le ou chaque obturateur (24) est monté au niveau de la virole radialement externe (21) de la veine (3). 4. Compresseur (4) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le ou chaque obturateur (24) s'étend circonférentiellement sur une plage angulaire comprise entre 4 et 90°. 5. Compresseur (4) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque obturateur (24) est monté au niveau de la virole radialement externe (21), l'axe de rotation (25) de chaque obturateur (24) 14 étant décalé radialement par rapport à la surface interne (26) de la virole externe (21), à l'opposé de la veine (3). 6. Compresseur (4) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'obturateur (24) est situé axialement en aval d'un 5 premier étage de compression (El), et en amont d'un deuxième étage de compression (E2). 7. Compresseur (4) selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins un obturateur (24) est également mobile dans une troisième position dans laquelle ledit obturateur (24) est écarté de la veine (3) et 10 n'affleure pas la virole correspondante (21). 8. Turbomachine (1) comportant au moins un compresseur (4) selon l'une des revendications 1 à 7.