Brevet FR3089550A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : AUBE DE TURBOMACHINE A LOI D'EPAISSEUR MAXIMALE A FORTE MARGE AU FLOTTEMENT DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR 100011 L'invention concerne le domaine des aubes de turbomachine et plus particulièrement celui des aubes de rotor de turbomachine. 100021 L'invention vise notamment à être utilisée dans des soufflantes au sein d'un turbo- réacteur ou d'une turbomachine. 100031 Une turbomachine comprend au moins un auhage, comme par exemple une soufflante, qui comporte une pluralité d'aubes arrangées radialement autour d'un axe central, par exemple autour d'un disque. 100041 Un tel auhage forme soit un rotor, quand il s'agit d'un auhage mobile ou d'un disque aubagé, soit un stator. [0005] Les aubes peuvent être considérées comme des excroissances par rapport à un anneau continu. Deux aubes voisines et l'anneau définissent un couloir d'écoulement d'air. [0006] L'extrémité proximale de chaque aube par rapport à l'axe central est habituellement dénommée pied d'aube. En particulier, le pied d'aube est considéré ici comme la partie de l'aube située au-dessus de l'anneau. [0007] L'extrémité distalc est habituellement dénommée tête d'aube. La distance entre le pied et la tête d'aube est connue comme hauteur d'aube. [0008] Entre le pied et la tête d'aube, l'aube peut être représentée de façon théorique par un empilement de sections ou profils aérodynamiques perpendiculaires à un axe radial Z. [0009] L'aube cst une pièce complexe à élaborer car elle est impliquée à la fois dans des aspects aérodynamiques, mécaniques et acoustiques de l'aubagc et de la turbomachine. [0010] La conception de l'aube et de l'aubagc nécessite de travailler simultanément sur les performances aérodynamiques, la tenue mécanique et la réduction des masses, bruit et coût. [0011] La conception doit garantir une durée de vie minimum de l'aube et du disque sur lequel sont fixées les aubes. [0012] La conception doit garantir une tenue vibratoire minimum de l'aubage c'est-à-dire une résistance suffisante aux vibrations, ou un niveau de vibration acceptable pour assurer la tenue mécanique. [0013] L'aubage doit présenter une tenue à l'ingestion de corps étrangers et une tenue à la perte d'aube c'est-à-dire une résistance de l'aubage aux situations où une aube se détache partiellement ou entièrement du disque. 2 100141 Le phénomène de flottement doit être pris en compte durant la conception de l'aube et de l'aubaee. [0015] Le flottement est un couplage aérornécanique dû au mouvement relatif de l'air par rapport à la structure des aubes et de l'auhage. Le flottement est un phénomène auto-entretenu, la modification du mouvement de la structure solide modifiant l'écoulement du fluide et la modification de l'écoulement du fluide générant des forces sur la structure solide. Le flottement peut rapidement s'amplifier et aboutir à la rupture d'une aube de la soufflante, voire un endommagement du moteur. [0016] Le flottement est fortement lié au dessin de la structure, de sorte qu'il est difficile d'éliminer ou même de limiter un phénomène de flottement une fois qu'il a été détecté dans le fonctionnement d'une soufflante. [0017] Il reste alors la possibilité d'interdire certaines zones de fonctionnement pour limiter les risques liés au flottement, mais cela réduit nécessairement les conditions de vol dans lesquelles la soufflante peut fonctionner. [0018] Il existe donc un besoin pour une aube et un auhage pour lesquelles la zone de fonc- tionnement où apparaît le flottement est la plus éloignée possible de la zone de fonctionnement nominale, c'est-à-dire une aube et un auhage qui présente une marge au flottement la plus importante possible. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION [0019] Un but général de l'invention est de pallier les inconvénients des aubes et des soufflantes de l'art antérieur. [0020] Notamment, un but de l'invention est de proposer une solution pour augmenter la marge au flottement. [0021] Un autre but encore est de proposer une solution pour augmenter la marge au flottement et une aube dont le comportement mécanique de l'aube ou les performances aérodynamiques ne sont pas dégradés. [0022] Le but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à une aube de rotor de turbomachine comprenant une pluralité de sections d'aube empilées selon un axe Z entre un pied d'aube et une tête d'aube définissant entre eux la hauteur de l'aube, chaque section d'aube comportant un bord d'attaque, un bord de fuite, un intrados et un extrados, une corde définie par la longueur de la portion de droite reliant le bord d'attaque et le bord de fuite dans la section et une épaisseur maximale définie par la distance maximale entre l'extrados et l'intrados caractérisée en ce que : le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube est compris entre 20% et 42% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube, le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 70% de hauteur de l'aube est compris entre 10% et 30% du rapport entre l'épaisseur maximale et la 3 corde en pied d'aube, le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 90% de hauteur de l'aube est compris entre 10% et 30% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube, le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en tête d'aube est compris entre 3% et 21% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube [0023] Une telle aube est avantageusement complétée par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde d'une section de l'aube est compris entre : Une première fonction définie par - un premier morceau de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube égal à 12%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube égal à 3%, un deuxième morceau de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube égal à 3%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 70% de hauteur de l'aube égal à 1,5%, un troisième morceau de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 70% de hauteur de l'aube égal à 1,5%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 90% de hauteur de l'aube égal à 1,5%, un quatrième morceau de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 90% de hauteur de l'aube égal à 1,5%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en tête d'aube égal à 0,5%, et une deuxième fonction définie par un cinquième morceau de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube égal à 14%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube égal à 5%, un sixième morceau de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube égal à 5%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 70% de hauteur de l'aube égal à 3,5%, un septième morceau de droite défini par un rapport entre - l'épaisseur maximale et la corde à 70% de hauteur de l'aube égal à 3,5%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 90% de hauteur de l'aube égal à 3,5%, et un huitième morceau de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 90% de hauteur de l'aube égal à 3,5%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en tête (l'aube égal à 2,5%. le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde varie en fonction de sa hauteur selon une fonction affine par morceaux du pied à 30% de la hauteur de l'aube, de 30% à 70% de la hauteur de l'aube, de 70% à 90% de hauteur de l'aube, et de 90% de hauteur de l'aube de la hauteur de l'aube à la tête d'aube. le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde d'une section de l'aube diminue ou reste constant lorsque la hauteur de la section augmente. le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube est compris entre 26% et 36%, de préférence de l'ordre de 30,8% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube. le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 70% de hauteur de l'aube est compris entre 14% et 24%, de préférence de l'ordre de 19,2% rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 90% de hauteur de l'aube est compris entre 14% et 24%, de préférence de l'ordre de 19,2% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en tête d'aube est compris entre 6,5% et 16,5%, de préférence de l'ordre de 11,5% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube est compris entre 8% et 18%, de préférence de l'ordre de 13%. L'invention concerne également une soufflante de turbomachine comportant une pluralité d'aubes de rotor telles que décrites plus haut. L'invention concerne également une turbomachine qui comprend une telle soufflante. Brève description des dessins [0024] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la des- cription qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : [0025] [fig.]] [0026] la figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'une turbomachine 100271 Ifig.21 [0028] la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un rotor de soufflante de tur- bomachine ; [0029] [fig.3] [0030] la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un détail du rotor de la figure 2 ; [0031] [fig.4] [0032] la figure 4 représente de manière schématique une section d'une aube [0033] [fig.5] [0034] La figure 5 un diagramme illustrant l'évolution, entre le pied et la tête d'aube, du rapport de l'épaisseur maximale sur la corde de l'aube selon l'invention ; [0035] [fig.6] la figure 6 représente de manière schématique des lignes de fonctionnement d'une soufflante conforme à un mode de réalisation de l'invention et d'une soufflante selon l'art antérieur. [0036] DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN OEUVRE et DE rÉalisation Turbomachine - Présentation générale [0037] En référence à la figure 1 une turbomachine est représentée de manière schématique, plus spécifiquement un turboréacteur axial 1 à double flux. Lc turboréacteur 1 illustré comporte une soufflante 2, 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. [0038] La soufflante 2 et le compresseur basse pression 3 sont reliés à la turbine basse pression 7 par un premier arbre de transmission 9, tandis que le compresseur haute pression 4 et la turbine haute pression 6 sont reliés par un deuxième arbre de transmission 10. [0039] En fonctionnement, un écoulement d'air comprimé par les compresseurs basse et haute pression 3 et 4 alimente une combustion dans la chambre de combustion 5, dont l'expansion des gaz de combustion entraîne les turbines haute et basse pression 6, 7. A travers les arbres 9 et 10, les turbines 6, 7 actionnent ainsi la soufflante 2 et les compresseurs 3, 4. L'air propulsé par la soufflante 2 et les gaz de combustion sortant du turboréacteur 1 à travers une tuyère propulsive (non illustrée) en aval des turbines 6, 7 exercent une poussée de réaction sur le turboréacteur 1 et, à travers lui, sur un véhicule ou engin tel qu'un aéroplane (non illustré). [0040] Chaque compresseur 3, 4 et chaque turbine 6, 7 du turboréacteur 1 comportent plusieurs étages, chaque étage étant formé par un aubage fixe ou stator, et un aubage tournant ou rotor. [0041] En référence à la figure 2, un rotor 11 de soufflante de turbomachine est illustré sché- 6 matiquement. Ce rotor 11 comporte une pluralité d'aubes 12 arrangées radialement autour de l'axe de rotation A du rotor 11, qui est sensiblement parallèle à la direction générale d'écoulement du fluide de travail à travers le turboréacteur 1. [0042] Les aubes 12 peuvent constituer des pièces distinctes du reste du rotor et être rapportées sur celui-ci par des moyens de fixation généralement connus dans l'état de la technique, tels que des attaches brochées ou des fixations en pied de sapin. [0043] En référence à la figure 3, unc vue schématique en perspective d'un détail du rotor de la figure 2 est proposée. Chaque aube 12 présente un système de référence spatial avec trois axes orthogonaux X, Y et Z. [0044] L'axe X est parallèle à l'axe de rotation A du rotor 11, l'axe Y est tangentiel à la direction de rotation R de l'aube 12 autour de l'axe de rotation A, et l'axe Z est un axe radial suivant une direction traversant l'axe de rotation A. [0045] Chaque aube 12 comporte un pied d'aube 13 et une tête d'aube 14 séparés par une hauteur d'aube h suivant la direction de l'axe radial Z. [0046] Entre le pied d'aube 13 et la tête d'aube 14, l'aube 12 peut être représentée de façon théorique par un empilement de sections ou profils aérodynamiques 15 dans des plans perpendiculaires à l'axe radial Z. [0047] L'aube de rotor de turbomachine peut être décrit comme comportant unc pluralité de sections d'aube empilées selon un axe Z entre le pied d'aube et la tête d'aube définissant entre eux la hauteur de l'aube h. [0048] Un tel plan P est représenté sur les figures 3 et 4. [0049] L'aube 12 comporte un bord d'attaque 16 en direction amont, un bord de fuite 17 en direction aval, un extrados 18 et un intrados 19. [0050] Chaque section d'aube peut être décrite comme comportant un bord d'attaque et un bord de fuite. [0051] Dans un rotor de compresseur ou de soufflante, le sens de rotation R en fonc- tionnement normal est tel que chaque aube 12 se déplace en direction de son intrados 19. [0052] Une section d'aube 15 est représentée de manière schématique sur la figure 4 avec une ligne de corde 25 et une ligne de cambrure 27. La ligne de corde 25 est une portion de droite reliant le bord d'attaque 16 et le bord de fuite 17 dans cette section 15. [0053] Dans le présent texte, le terme « corde » seul est utilisé pour désigner la distance entre ces deux points les plus éloignés. [0054] La ligne de cambrure 27 est une courbe égale à la moyenne entre la courbe de l'extrados 18 et la courbe de l'intrados 19 dans ladite section 15. Plus précisément, la ligne de cambrure est formée de tous les points situés à égale distance de l'extrados 18 et de l'intrados 19. La distance d'un point particulier à l'extrados (ou à l'intrados) est 7 définie ici comme la distance minimale entre le point particulier et un point de l'extrados (ou de l'intrados). [0055] On a également représenté par des doubles flèches sur cette figure 4 : [0056] - l'épaisseur maximale 26 de la section (distance maximale entre l'extrados 18 et l'intrados 19) dans une direction perpendiculaire à la ligne de corde, [0057] - la distance maximale ou flèche max 28 entre la corde 25 et la ligne de cambrure 27 ; la flèche max correspond à la longueur maximale d'un segment perpendiculaire à la ligne de corde et reliant un point de la ligne de corde et un point de la ligne de cambrure ; [0058] - le centre de gravité CG de la section d'aube, qui est le barycentre des masses de la section d'aube. La position du centre de gravité est définie dans le plan de la section par rapport à l'axe Z, c'est-à-dire par des coordonnées selon les axes X et Y dans ladite section. Lois d'épaisseur maximale [0059] Une loi d'épaisseur maximale sur corde ou loi d'épaisseur maximale est définie ici comme une ou plusieurs conditions portant sur la valeur du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde d'une section d'aube en fonction de la hauteur de la section d'aube. Les épaisseurs maximales des aubes varient en fonction de la hauteur de la section qui leur correspond dans la hauteur de l'aube. La hauteur de la section est exprimée comme un pourcentage entre 0% correspondant à une référence en pied d'aube et l00% correspondant à la tête d'aube. L'expression « à 30% de hauteur de l'aube » désigne dans ce document une section d'aube qui se situe à une hauteur de 30%. [0060] Tl a été constaté par les inventeurs que des lois d'épaisseur maximale spécifiques per- mettaient de bien meilleures marges au flottement. [0061] C'est le cas notanament lorsque les relations suivantes sont respectées : le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube est compris entre 20% et 42% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube, le rapport entre l' épaisseur maximale et la corde à 70% de hauteur de l'aube est compris entre 10% et 30% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube, le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 90% de hauteur de l'aube est compris entre 10% et 30% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube, le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en tête d'aube est compris entre 3% et 21% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube. 8 [0062] De meilleurs marges sont encore obtenues si le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube est compris entre 26% et 36%, du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube, et vaut de préférence de l'ordre de 30,8%. [0063] Il est précisé que dans ce document un rapport Ra (qui s'exprime en pourcents) est considéré de l'ordre d'un certain pourcentage Pa lorsque le rapport Ra vérifie -1% REVENDICATIONSAube de rotor de turbomachine comprenant une pluralité de sections d'aube empilées selon un axe Z entre un pied d'aube et une tête d'aube définissant entre eux la hauteur de l'aube, chaque section d'aube comportant un bord d'attaque (I), un bord de fuite (2), un intrados (3) et un extrados (4), une corde (25) définie par la longueur de la portion de droite reliant le bord d'attaque (16) et le bord de fuite (17) dans la section considérée et une épaisseur maximale (26) définie par la distance maximale entre l'extrados (3) et l'intrados (4) caractérisée en ce que : - le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube est compris entre 20% et 42% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube, - le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 70% de hauteur de l'aube est compris entre 10% et 30% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube, - le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 90% de hauteur de l'aube est compris entre 10% et 30% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube, -le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en tête d'aube est compris entre 3% et 21% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube. Aube de rotor de turbomachine selon la revendication 1 dans laquelle le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde d'une section de l'aube est compris entre : - Une première fonction affine par morceaux définie par . un premier segment de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube égal à 12%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube égal à 3%, . un deuxième segment de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube égal à 3%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 70% de hauteur de l'aube égal à 1,5%, . un troisième segment de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 70% de hauteur de l'aube égal à 1,5%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 90% de hauteur de l'aube égal à 1,5%, 13 [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] . un quatrième segment de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 90% de hauteur de l'aube égal à 1,5%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en tête d'aube égal à 0,5%, et - une deuxième fonction affine par morceaux définie par . un cinquième segment de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube égal à 14%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube égal à 5%, . un sixième segment de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube égal à 5%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 70% de hauteur de l'aube égal à 3,5%, . un septième segment de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 70% de hauteur de l'aube égal à 3,5%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 90% de hauteur de l'aube égal à 3,5%, et . un huitième segment de droite défini par un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 90% de hauteur de l'aube égal à 3,5%, et un rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en tête d'aube égal à 2.5%. Aube de rotor de turbomachine selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde varie en fonction de sa hauteur selon une fonction affine par morceaux du pied à 30% de la hauteur de l'aube, de 30%à 70% de la hauteur d'aube, de 70% à 90% de hauteur de l'aube, et de 90% de hauteur de l'aube de la hauteur de l'aube à la tête d'aube. Aube de rotor de turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde d'une section de l'aube diminue ou reste constant lorsque la hauteur de la section augmente. Aube de rotor de turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 30% de hauteur de l'aube est compris entre 26% et 36%, de préférence de l'ordre de 30,8% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube Aube de rotor de turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 70% de hauteur de l'aube est compris entre 14% 14 [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] et 24%, de préférence de l'ordre de 19,2% rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube. Aube de rotor de turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde à 90% de hauteur de l'aube est compris entre 14% et 24%, de préférence de l'ordre de 19,2% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube. Aube de rotor de turhomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en tête d'aube est compris entre 6,5% et 16,5%, de préférence de l'ordre de 11,5% du rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube. Aube de rotor de turhomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le rapport entre l'épaisseur maximale et la corde en pied d'aube est compris entre 8% et 18%, de préférence de l'ordre de 13%. Soufflante de turhomachine comportant une pluralité d'aubes de rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes. Turbomachine caractérisée en ce qu'elle comporte une soufflante selon la revendication 10.