Brevet FR3089543A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : Rotor de turbine ou de compresseur pour moteur à turbine à gaz à pertes de jeu limitées Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte au domaine général des étages constitutifs d'une turbine et d'un compresseur de moteur à turbine à gaz. Elle concerne plus précisément le jeu radial existant entre la tête des aubes mobiles de ces étages et l'anneau qui les entoure. Technique antérieure [0002] Dans une turbine ou un compresseur de moteur à turbine à gaz, notamment de turbo- réacteur, le jeu radial entre la tête des aubes de roues mobiles et l'anneau induit des écoulements parasites, nommés écoulements de jeu. Ces écoulement parasites sont une source importante de pertes aérodynamiques, qui se traduisent en pertes de rendement du composant, et peuvent, dans le cas des compresseurs, être un élément déclencheur d'instabilités. [0003] Ces pertes de rendement sont d'autant plus importantes que le rapport entre la taille du jeu radial et la hauteur de la veine est important. Il s'agit ainsi d'une des principales sources de pertes de rendement dans une turbine haute pression. [0004] Les écoulements de jeu à l'origine de ces pelles de rendement sont causés par la différence de pression entre l'intrados et l'extrados sur chaque pale, ainsi qu'entre l'amont et l'aval de la roue mobile ou rotor, ce qui induit un débit de fuite à travers le jeu. L'écoulement passant à travers le jeu subit de forts cisaillements qui forment un premier mécanisme de génération de pertes. Cet écoulement soit ensuite du jeu du côté de l'extrados de la pale de manière transverse à l'écoulement sain, et s'enroule sous la forme d'un tourbillon, nommé tourbillon de jeu. La dissipation de ce tourbillon est un second mécanisme de génération de pertes. [0005] Les écoulements de jeu font partie des écoulements secondaires, c'est-à-dire des structures d'écoulement tridimensionnelles tendant à faire s'éloigner l'écoulement réel d'un écoulement idéal dont les lignes de courant seraient alignées sur la direction principale du canal inter-aubes. [0006] Dans une roue de turbine, d'autres écoulements secondaires se développent à proximité du carter, et peuvent interagir avec les écoulements de jeu. En particulier, les couches limites au carter dérivent de l'intrados vers l'extrados dans le canal inter-aubes à cause du gradient de pression transverse généré par les pales, ce qui entraîne un tourbillon de passage, adjacent au tourbillon de jeu et ayant un sens de rotation opposé. Ainsi, le contrôle des écoulements de jeu doit non seulement limiter l'intensité de ces 2 écoulements, mais également ne pas trop aggraver d'autres phénomènes de pertes, notamment le tourbillon de passage au carter. [0007] Une manière connue de supprimer les écoulements de jeu est d'employer un talon, c'est à dire un élément formant la paroi de veine externe de la roue intégré aux pales et tournant avec elles. Cependant, un talon forme une masse en rotation importante, ce qui augmente les contraintes mécaniques dans la pale ducs aux efforts centrifuges. Ainsi, les applications des talons se limitent principalement aux turbines basse-pression de par leur faible vitesse de rotation. [0008] D'autres solutions permettent de limiter les écoulements de jeu. Les « baignoires » (zone creusée sur le sommet de la pale) sont une solution couramment employée qui peut entraîner une réduction du débit de fluide passant à travers le jeu radial et donc des pertes associées. Une autre solution couramment rencontrée consiste à employer une marche descendante sur la surface externe de veine en amont de la roue causant un retrait de la veine externe en face de la tête de pale. [0009] Cependant, les gains de rendement obtenus par ces solutions sont modérés voire négatifs, malgré le fait qu'une réduction de l'intensité du tourbillon de jeu soit effectivement observée. En particulier, il a été constaté que la présence d'une marche descendante en amont de la roue de la turbine entraînait une forte perturbation de l'écoulement dans la roue, avec une augmentation significative de l'intensité du tourbillon de passage au carter, ce qui entraîne un supplément important de pertes. Exposé de l'invention [0010] La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un dispositif visant à limiter l'intensité des écoulements de jeu et leur impact négatif sur les performances d'une turbine ou d'un compresseur [0011] Ce but est atteint grâce à un rotor de turbine ou de compresseur pour moteur à turbine à gaz, comprenant une pluralité d'aubes entourées par un anneau externe délimitant une ligne de veine externe d'écoulement d'un flux gazeux, chaque aube s'étendant, d'une part axialement entre un bord d'attaque et un bord de fuite et, d'autre part radialement entre un pied et une tête, un jeu radial subsistant entre l'anneau et la tête des aubes mobiles, et dans lequel, conformément à l'invention, l'anneau externe présente une augmentation progressive de son diamètre entre le bord d'attaque et le bord de fuite des aubes et finissant par une marche montante en aval du bord de fuite des aubes, et la tête des aubes présente un rehaussement au voisinage du bord de fuite afin de conserver un jeu radial prédéterminé. [0012] La forme de ligne de veine externe proposée par la présente invention se caractérise par deux éléments, à savoir une zone où la ligne de veine externe forme une convexité au-dessus des aubes mobiles de l'étage, et une cassure de la ligne de veine externe 3 formant une marche montante en aval de ces aubes mobiles. La marche est dite « montante » en ce qu'elle introduit une réduction abrupte de la section de passage de l'écoulement, même si sur une vue méridienne classique où la ligne de veine externe est représentée en haut, le dessin de la ligne de veine « descend ». [0013] Cette forme spécifique de ligne de veine externe permet d'altérer la composante axiale du gradient de pression dans la zone du jeu radial tout en évitant toute marche montante ou descendante en amont des aubes qui pourrait y perturber l'écoulement. La ligne de veine externe forme ainsi un « trench en S ». De plus, la tête des aubes est rehaussée près du bord de fuite afin de conserver une hauteur de jeu radial donnée (pouvant évoluer suivant la corde). Cela permet d'introduire une convexité sur la ligne de veine externe près du bord d'attaque, qui va générer une zone de dépression locale dans l'écoulement. La marche montante a pour effet de causer une surpression locale, ainsi qu'une recirculation remontant le long de l'anneau externe. La présence d'une concavité de la veine en amont de la marche montante renforce cette surpression. [0014] Dans une turbine classique, le degré de réaction est habituellement positif, ce qui signifie que la pression est plus faible en aval des aubes mobiles qu'en amont. Ce gradient de pression axial contribue à l'écart de pression entre l'intrados et l'extrados qui entraîne l'écoulement passant à travers le jeu. En présence d'un « trench en S », la succession d'une dépression locale au carter près du bord d'attaque et d'une surpression proche du bord de fuite permet de réduire l'intensité de ce gradient de pression et donc du débit de fuite qu'il entraîne à travers le jeu. De plus, la recirculation en amont de la marche montante obstrue en totalité ou en partie la zone du jeu près du bord de fuite, ce qui empêche tout écoulement de jeu dans cette zone. Cela est particulièrement bénéfique pour les performances de la turbine car dans une machine classique, la faible épaisseur de pale près du bord de fuite entraîne un débit d'écoulement de jeu élevé. [0015] La réduction de l'intensité des écoulements de jeu ainsi obtenue peut être mise à profit de deux manières : en profitant directement du gain de rendement de la turbine pour améliorer les performances du moteur, ou en profitant de la réduction de la sensibilité du rendement de la turbine à la hauteur de jeu pour autoriser un jeu en fonctionnement supérieur en conservant un rendement de turbine identique. La hauteur de jeu est souvent contrôlée par un dispositif actif ou passif de refroidissement permettant de contrôler la dilatation de l'anneau et de ses supports. Un jeu en fonctionnement plus élevé permettrait de réduire la complexité de ces systèmes, de s'en passer, ou de réduire le débit de refroidissement nécessaire à leur fonctionnement. Cela pourrait aussi permettre des tolérances de fabrication plus grandes pour l'anneau et la roue. On notera que la solution présentée ici est indépendante de la présence ou non d'une baignoire au niveau de la tête des aubes. 100161 La marche montante de l'anneau externe est avantageusement formée par la jonction entre l'anneau externe et une pièce annulaire qui prolonge en aval du rotor la ligne de veine externe. Ainsi, il est toujours possible de monter l'étage de turbine ou de compresseur, même si la hauteur de la marche montante est supérieure à la hauteur du jeu radial. [0017] L'augmentation progressive du diamètre de l'anneau externe peut débuter en aval du bord d'attaque des aubes. Alternativement, elle peut débuter en amont du bord d'attaque des aubes. [0018] La marche montante de l'anneau externe peut former un angle droit avec la ligne de veine externe en aval de de l'étage. L'anneau externe peut présenter une forme sensiblement cylindrique ou une forme sensiblement tronconique. Comme indiqué précédemment, l'anneau externe est dépourvu de marche descendante ou montante au niveau du bord d'attaque des aubes [0019] L'invention a également pour objet une turbine et un compresseur comprenant au moins un rotor tel que défini précédemment. Brève description des dessins [0020] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la des- cription faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : [0021] [fig.1] La figure 1 est une vue en perspective et en écorché d'un rotor de turbine selon l' invention ; [0022] [fig.2] La figure 2 est une vue en coupe longitudinale du rotor de turbine de la figure 1 ; [0023] [fig.3A-3C] Les figures 3A à 3C sont des vues schématiques de différentes variantes de réa- lisation d'un rotor de turbine selon l'invention ; et [0024] [fig.3D-3F] Les figures 3D à 3F sont des vues schématiques d'autres variantes de réalisation d'un rotor de turbine selon l'invention. Description des modes de réalisation 100251 L'invention s'applique à tout étage de turbine ou de compresseur d'un moteur à turbine à gai, tel que l'étage de turbine 2 représenté de façon schématique sur les figures 1 et 2. 100261 De façon connue, un tel étage de turbine 2 comprend un distributeur 4 composé d'une grille d'aubes fixes 6 destinées à être montées entre un anneau externe 8 dé- limitant une ligne de veine externe 8a et un anneau interne 10 concentrique au précédent et délimitant une ligne de veine interne 10a, les anneaux 8, 10 délimitant entre eux la veine 12 d'écoulement d'un flux gazeux traversant l'étage de turbine. Bien entendu, l'invention s'applique également à un rotor dans lequel la ligne de veine externe est formée par des pièces distinctes du distributeur et du rotor. [0027] En aval (dans le sens d'écoulement du flux gazeux traversant l'étage de turbine) du distributeur 4, l'étage de turbine 2 comprend également un rotor (ou roue mobile) 14 formé d'une pluralité d'aubes 16 montées sur un disque rotatif 18 et positionnées dans la veine 12. [0028] Toujours de façon connue, chaque aube 16 forme un profil aérodynamique qui s'étend, d'une part axialement entre un bord d'attaque 20 et un bord de fuite 22 et, d'autre part radialement entre un pied 24 et une tête 26. [0029] Comme représenté sur la figure 2, un jeu radial j subsiste entre l'anneau externe 8 et la tête 26 des aubes mobiles 16. Ce jeu radial j induit des écoulements parasites, nommés écoulements de jeu, qui sont une source importante de pertes aérodynamiques. [0030] A cet effet, selon l'invention, il est prévu de rehausser progressivement la ligne de veine externe 8a le long de la roue mobile 14 et à positionner une marche montante 28 après le bord de fuite 22 des aubes 16. [0031] La ligne de veine externe 8a présente ainsi un « trcnch en S » qui permet d'introduire une convexité au voisinage du bord d'attaque 20 des aubes 16. Cette convexité va générer une zone de dépression locale dans l'écoulement. La marche montante cause ensuite une surpression locale ainsi qu'une recirculation remontant le long de l'anneau externe 8. [0032] En pratique, l'anneau externe 8 présente une augmentation progressive de son diamètre entre le bord d'attaque 20 et le bord de fuite 22 des aubes 16 et finit par une marche montante 28 en aval du bord de fuite des aubes. [0033] L'augmentation du diamètre de l'anneau externe 8 est visible sur les figures 3A à 3F représentant de façon schématique différents modes de réalisation de l'invention. Sur ces figures, l'augmentation du diamètre de l'anneau externe 8 est schématisée par la valeur t)A à hF, respectivement. [0034] Cette augmentation est progressive ; en particulier la ligne de veine externe 8a est dépourvue de marche montante ou descendante au niveau du bord d'attaque des aubes. [0035] La marche 28 est dite « montante » car elle introduit une réduction abrupte de la section de passage de la veine d'écoulement 12 (même si sur les vues des figures 2 et 3A à 3F le dessin de la ligne de veine externe 8a « descend »). [0036] Par ailleurs, toujours selon l'invention, afin de conserver un jeu radial j donné (ce jeu radial pouvant varier suivant la corde des aubes), la tête 26 des aubes 14 présente un rehaussement 26a au voisinage du bord de fuite 22. 6 [0037] De préférence, comme représenté sur les figures 1 et 2, la marche montante 28 de l'anneau externe 8 est formée par la jonction entre l'anneau externe 8 et une pièce annulaire 30 délimitant une ligne de veine externe 30a qui prolonge en aval de l'étage la ligne de veine externe 8a. De la sorte, il est toujours possible d'assembler l'étage (de turbine ou de compresseur), même si la hauteur h de la marche montante 28 est supérieure à la hauteur du jeu radial j. [0038] En liaison avec les figures 3A à 3F, on décrira maintenant différentes variantes de réalisation de l'invention. [0039] Comme représenté sur les figures 3A et 3B, la hauteur hA hB, respectivement, de la marche montante 28 peut être différente de l'augmentation du diamètre de la ligne de veine externe 8a. En particulier, cette hauteur peut être supérieure, égale ou inférieure à la hauteur du jeu radial j. Sur ces exemples de réalisation, la hauteur hB est supérieure à la hauteur hA et supérieure à la hauteur du jeu radial j. [0040] Par ailleurs, dans l'exemple de réalisation des figures 3A et 3B, l'anneau externe présente une forme sensiblement cylindrique. Au contraire, dans l'exemple de réalisation de la figure 3C, l'anneau externe R présente une forme qui n'est pas cylindrique mais sensiblement tronconique ouvert vers l'aval (la forme tronconique pourrait alternativement être ouverte vers l'amont). [0041] La marche montante 28 de l'anneau externe forme avec la ligne de veine externe 30a d'écoulement en aval de de l'étage un angle a. Comme représenté sur la figure 3B, cet angle aB peut être un angle droit. Alternativement, cet angle peut être plus ou moins ouvert (sur l'exemple de la figure 3D, l'angle aD est ainsi plus grand que 90°), à la condition qu'il forme une discontinuité de tangence sur la ligne méridienne de veille externe. [0042] De plus, l'augmentation progressive du diamètre de l'anneau externe 8 peut débuter en amont du bord d'attaque 20 des aubes (voir la figure 3E) ou débuter en aval de celui-ci, au voisinage du bord de fuite 22 des aubes (voir la figure 3F). En d'autres termes, la convexité de veine en amont de la marche montante 28 peut être positionnée à différents endroits entre l'amont du bord d'attaque des aubes et le bord de fuite des aubes. 7 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10]