Brevet FR3089553A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : AUBE DE TURBOMACHINE A LOI DE FLECHE A FORTE MARGE AU FLOTTEMENT DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR [0001] L'invention concerne le domaine des aubes de turbomachine et plus particulièrement celui des aubes de rotor de turbomachine. [0002] L'invention vise notamment à être utilisée dans des soufflantes au sein d'un turbo- réacteur ou d'une turbomachine. [0003] Une turbomachine comprend au moins un aubage, comme par exemple une soufflante, qui comporte une pluralité d'aubes arrangées radialement autour d'un axe central, par exemple autour d'un disque. [0004] Un tel aubage forme soit un rotor, quand il s'agit d'un aubage 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. 100061 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. 100071 L'extrémité distale est habituellement dénommée tête d'aube. La distance entre le pied et la tête d'aube est connue comme hauteur d'aube. 100081 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. 100091 L'aube est une pièce complexe à élaborer car elle est impliquée à la fois dans des aspects aérodynamiques, mécaniques et acoustiques de l'auhage et de la turbomachine. 100101 La conception de l'aube et de l'auhage nécessite de travailler simultanément sur les performances aérodynamiques, la tenue mécanique et la réduction des masses, bruit et coût. 100111 La conception doit garantir une durée de vie minimum de l'aube et du disque sur lequel sont fixées les aubes. 100121 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. 100131 L'auhage 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'auhage aux situations où une aube se détache partiellement ou entièrement du disque. [0014] Le phénomène de flottement doit être pris en compte durant la conception de l'aube 2 et de l'aubaee. [0015] Le flottement est un couplage aérotnécanique 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] TI 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] TI 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 dc l'art antérieur. [0020] Notamment, un but de l'invention est dc 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 sans augmenter la masse dc l'aube. [0022] Lc but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à une aube de rotor de turbomachine comprenant un bord d'attaque, un bord de fuite, un intrados et un extrados, dans laquelle: le rapport entre une flèche max et une corde à mi-hauteur de l'aube est compris entre 25% et 40% du rapport entre une flèche max et une corde en pied d'aube le rapport entre une flèche max et une corde en tête d'aube soit compris entre 25% et 40% du rapport entre une flèche max et une corde en pied d'aube [0023] Un tel dispositif est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : le rapport entre une flèche max et une corde à mi-hauteur de l'aube est compris entre 30% et 35%, et vaut de préférence de l'ordre d'un tiers du rapport entre une flèche max et une corde en pied d'aube, laquelle le rapport entre une flèche max et une corde en tête d'aube soit 3 compris entre 30% et 35%, et vaut de préférence de l'ordre d'un tiers du rapport entre une flèche max et une corde en pied d'aube, le rapport entre une flèche max et une corde en pied d'aube est compris entre 10% et 20% et de préférence entre 14% et 17%, le rapport entre une flèche max et une corde à mi-hauteur d'aube est compris entre 4% et 7%, de préférence entre 4,7% et 5,7%, la variation selon la hauteur du rapport entre la flèche max et la corde de chaque section de l'aube est comprise entre : - une première fonction définie - par un premier segment de droite défini par un rapport entre une flèche max et une corde en pied d'aube égal à 14% et un rapport entre une flèche max et une corde à mi-hauteur d'aube égal à 4,7%, et - par un deuxième segment de droite défini par un rapport entre une flèche max et unc corde à mi-hauteur d'aube égal à 4,7% et un rapport entre une flèche max et une corde en tête d'aube égal à 4,7%, et une deuxième fonction définie par - par un troisième segment de droite défini par un rapport entre unc flèche max et unc corde en pied d'aube égal à 17% et un rapport entre unc flèche max et unc corde à mi-hauteur d'aube égal à 5,7%, et - par un quatrième segment de droite défini par un rapport entre une flèche max et unc corde à mi-hauteur d'aube égal à 5,7% et un rapport entre une flèche max et une corde en tête d'aube égal à 5,7%. la variation selon la hauteur du rapport entre la flèche max et la corde est unc fonction définie par deux segments de droite d'une part entre le pied et la mi-hauteur de l'aube, d'autre part entre la mi-hauteur et la tête d'aube, le rapport entre unc flèche max et unc corde d'une section de l'aube diminue lorsque la hauteur de la section augmente depuis le pied d'aube vers la mi-hauteur d'aube, puis garde unc valeur quasi-constante du rapport entre unc flèche max et une corde entre la mi-hauteur d'aube et la tête d'aube, [0024] L'invention concerne également une soufflante de turbomachine comportant une pluralité d'aubes de rotor telles que décrites plus haut. [0025] L'invention concerne également une turbomachine qui comprend une telle soufflante. Brève description des dessins 100261 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 : [0027] [fig.1] [0028] la figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'une turbomachine. [0029] [fig.2] [0030] la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un rotor de soufflante de tur- bomachine. [0031] [fig.3] [0032] la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un détail du rotor de la figure 2. [0033] [fig.4] [0034] la figure 4 représente de manière schématique une section d'une aube. [0035] [fig.5] [0036] La figure 5 un diagramme illustrant l'évolution, entre le pied et la tête d'aube, du rapport de la flèche max sur la corde de l'aube selon l'invention. [0037] [fig.6] [0038] 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. [0039] DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN OEUVRE et DE rÉalisation Turbomachine - Présentation générale [0040] 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. [0041] 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. [0042] 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). [0043] 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 aubagc tournant ou rotor. [0044] En référence à la figure 2, un rotor 11 de soufflante de turbomachine est illustré sché- 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. [0045] 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. [0046] 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. [0047] 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. [0048] 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. [0049] 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. [0050] L'aube de rotor de turbomachine peut être décrite comme comportant une 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. Un tel plan P est représenté sur les figures 3 et 4. [0051] 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. [0052] Chaque section d'aube peut être décrite comme comportant un bord d'attaque et un bord de fuite. [0053] 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. [0054] 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 un segment, c'est-à-dire une portion de droite, reliant le bord d'attaque 16 et le bord de fuite 17 dans cette section 15. [0055] Dans le présent texte, le terme « corde » seul est utilisé pour désigner la longueur du 6 segment correspondant à la ligne de corde, c'est-à-dire la distance entre ces deux points les plus éloignés. [0056] 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 de l'intrados) est définie ici comme la distance minimale entre le point particulier et un point de l'extrados (ou de l'intrados). [0057] On a également représenté par des doubles flèches sur cette figure 4 : [0058] - 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, [0059] - 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 ; [0060] - 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 de flèche max [0061] Les flèches max des aubes varient en fonction de la hauteur de la section qui leur correspond dans la hauteur de l'aube. [0062] Il a été constaté par les inventeurs que des lois de flèche max spécifiques per- mettaient de bien meilleures marges au flottement. [0063] C'est le cas notamment lorsque les relations suivantes sont respectées : le rapport entre la flèche max et la corde à mi-hauteur de l'aube est compris entre 25% et 40% du rapport entre une flèche max et une corde en pied d'aube, le rapport entre une flèche max et une corde en tête d'aube est compris entre 25% et 40% du rapport entre une flèche max et une corde en pied d'aube. [0064] De meilleurs marges sont encore obtenues si le rapport entre une flèche max et une corde à mi-hauteur de l'aube est compris entre 30% et 35%, et valoir de préférence de l'ordre d'un tiers du rapport entre une flèche max et une corde en pied d'aube. De l'ordre d'un tiers signifie ici être égal à un tiers à plus ou moins un pourcent. [0065] Egalement, le rapport entre une flèche max et une corde en tête d'aube peut être compris entre 30% et 35%, et valoir de préférence de l'ordre d'un tiers du rapport entre une flèche max et une corde en pied d'aube. [0066] Plus précisément, la loi de flèche max peut vérifier d'autres caractéristiques 7 contribuant elles aussi à augmenter les marges au flottement, comme par exemple : [0067] Le rapport entre une flèche max et une corde en pied d'aube est compris entre 10% et 20% et de préférence entre 14% et 17% [0068] Le rapport entre une flèche max et une corde à mi-hauteur d'aube est compris entre 4% et 7%, de préférence entre 4,7% et 5,7% [0069] Le rapport entre une flèche max et une corde en tête d'aube est compris entre 4% et 7%, de préférence entre 4,7% et 5,7% [0070] Ces caractéristiques permettent en particulier d'obtenir une évolution du rapport entre une flèche max et une corde telle qu'il y a une forte diminution du rapport entre une flèche max et une corde depuis le pied d'aube vers la mi-hauteur d'aube, puis une valeur quasi-constante du rapport entre une flèche max et une corde entre la mi-hauteur d'aube et la tête d'aube. [0071] En variante, l'aube peut également vérifier une loi de flèche max proposée sous la forme d'encadrements : [0072] Le rapport entre une flèche max et une corde à 0% de hauteur est compris entre les valeurs r et s. [0073] Le rapport entre une flèche max et une corde à 50% de hauteur est compris entre les valeurs t et u. [0074] Le rapport entre une flèche max et une corde à 100% de hauteur est compris entre les valeurs y et w. [0075] Une loi de flèche max en ce sens est illustrée sur le graphe de la figure 5, sur lequel la valeur du rapport entre une flèche max et une corde est donnée en abscisse, tandis que la hauteur de la section d'aube est fournie en ordonnée, 0% correspondant à une référence en pied d'aube, 100% correspondant à la tête d'aube. La valeur 50% de hauteur se trouve dans la zone de mi-hauteur de l'aube. Dans le présent texte, la zone de mi-hauteur de l'aube correspond à l'intervalle de hauteur entre 45% de hauteur et 55% de hauteur de l'aube. [0076] Sur la figure 5, la loi de flèche max de l'aube est représentée par la courbe 30 en trait continu sur ce graphe. La courbe 30 est une représentation graphique de la variation selon la hauteur du rapport entre la flèche max et la corde en fonction de la hauteur. [0077] Sur la figure 5, les six limites r, s, t, u, v et w du rapport entre une flèche max et une corde ont été placées sur l'axe des abscisses et en correspondance de ces rapports les différents pourcentages de hauteur associés sont placés sur l'axe des ordonnées. [0078] r peut être compris entre 17% et 20% et de préférence entre 17% et 18% ; [0079] s peut être compris entre 10% et 14% et de préférence entre 13% et 14% ; [0080] t peut être compris entre 5,7% et 7% et de préférence entre 5,7% et 6% ; [0081] u peut être compris entre 4% et 4,7% et de préférence entre 4,5% et 4,7% ; [0082] v peut être compris entre 5,7% et 7% et de préférence entre 5,7% et 6% ; 8 [0083] w peut être compris entre 4% et 4,7% et de préférence entre 4,5% et 4,7%. [0084] La courbe 30 en trait continu est comprise entre deux courbes limites 31 et 32, qui sont deux courbes affines par morceaux (courbes formées de portions ou segments de droites) [0085] La courbe 31 (en pointillés mixtes) est définie en l'occurrence par deux demi- droites : [0086] - l'une qui s'étend entre un point correspondant à une valeur de corde égale à r pour une hauteur de 0% et un point de valeur de corde égale à t pour une hauteur de 50%, [0087] - l'autre qui s'étend entre ledit point de point de valeur de corde égale à t pour une hauteur de 50% et un point correspondant à unc valeur de corde égale à y pour une hauteur de 100%. [0088] La courbe 32 (en pointillés simples) est définie [0089] - par une demi-droite s'étendant entre un point de valeur de corde égale à s pour une hauteur de 0% et un point correspondant à unc valeur de corde égale à u pour une hauteur de 50%, [0090] - par une demi-droite qui s'étend dudit point correspondant à une valeur de corde égale à u pour une hauteur de 50% à un point de valeur de corde égale à w pour une hauteur de 100%. [0091] L'espace entre les deux courbes 31,32 définit un couloir,dans lequel se situe le graphe correspondant à la loi de flèche max. [0092] Les lois de flèche max d'aube proposées correspondent à une aube dont la forme se rapproche dans sa partie supérieure de la forme d'une plaque plane. Une telle caractéristique permet d'augmenter la marge au flottement. [0093] Selon une variante plus générale, la loi de flèche max peut vérifier d'autres caracté- ristiques contribuant elles aussi à augmenter les marges au flottement. Par exemple une loi de flèche max de l'aube en fonction de sa hauteur peut correspondre à la variation selon la hauteur du rapport entre la flèche max et la corde de chaque section de l'aube et être compris entre : une première fonction définie - par un premier segment de droite défini par un rapport entre une flèche max et une corde en pied d'aube égal à 14% et un rapport entre une flèche max et une corde à mi-hauteur d'aube égal à 4,7%, et - par un deuxième segment de droite défini par un rapport entre une flèche max et une corde à mi-hauteur d'aube égal à 4,7% et un rapport entre une flèche max et une corde en tête d'aube égal à 4,7%, et une deuxième fonction définie par 9 - par un troisième segment de droite défini par un rapport entre une flèche max et une corde en pied d'aube égal à 17% et un rapport entre une flèche max et une corde à mi-hauteur d'aube égal à 5,7%, et - par un quatrième segment de droite défini par un rapport entre une flèche max et une corde à mi-hauteur d'aube égal à 5,7% et un rapport entre une flèche max et une corde en tête d'aube égal à 5,7%. [0094] La courbe 30 qui est une représentation graphique de la variation selon la hauteur du rapport entre la flèche max et la corde est compris entre les deux représentations graphiques des fonctions telles qu'on vient de les définir. [0095] Plus précisément, le graphe correspondant à la loi de flèche max peut varier selon deux segments de droite d'une part entre le pied et la mi-hauteur de l'aube, d'autre part entre la mi-hauteur et la tête d'aube. [0096] De manière équivalente, la variation selon la hauteur du rapport entre la flèche max et la corde peut être une fonction définie par deux segments de droite d'une part entre le pied et la mi-hauteur de l'aube, d'autre part entre la mi-hauteur et la tête d'aube [0097] Le graphe peut également correspondre à un rapport entre une flèche max et une corde d'une section d'aube qui diminue lorsque la hauteur de la section augmente. [0098] En particulier, le graphe peut correspondre à un rapport entre une flèche max et une corde d'une section d'aube qui diminue fortement lorsque la hauteur de la section augmente depuis le pied d'aube vers la mi-hauteur d'aube, puis qui reste quasi constant entre la mi-hauteur d'aube et la tête d'aube. [0099] Lignes de fonctionnement d'une souillante de turbomachine [0100] En référence à la figure 6, des lignes de fonctionnement d'une soufflante représentent de manière schématique le taux de compression en fonction du débit. [0101] Les courbes Al, A2, A3, A4 et A5 correspondent à cinq régimes de moteur, c'est à dire cinq vitesses de rotation du moteur, impliquant des aubes et une soufflante selon l'art antérieur. Dans un régime donné, les conditions de vol imposent une position sur la courbe ou un point de fonctionnement du moteur, c'est-à-dire un couple de valeurs débit et taux de compression. Idéalement, le point de fonctionnement du moteur se situe proche de la courbe C, qui est la courbe de fonctionnement nominal. [0102] La courbe A10 matérialise la frontière de la zone de flottement selon le même art antérieur. Les points de fonctionnement du moteur situés sur les courbes Al. A2, A3, A4 ou A5 et à gauche de la courbe A10 correspondent à un phénomène de flottement important. [0103] La marge au flottement peut être définie comme une distance Ail entre la courbe C et la courbe A10. [0104] La courbe BIO matérialise la frontière de la zone de flottement du moteur cor- respondant. La marge au flottement peut être définie comme une distance Bl l entre la courbe B10 et la courbe C, courbe de fonctionnement nominal. [0105] La distance B11 étant supérieure à la distance Al 1, la marge au flottement a été augmentée par rapport à l'antérieur. [0106] Les lois de flèche max de l'aube proposées correspondent à une aube dont la forme se rapproche dans sa partie supérieure de la forme d'une plaque plane. [0107] Une plaque plane est associée à des mouvements comprenant une forte composante de flexion et une faible composante de torsion. [0108] Un avantage apporté par l'invention est l'augmentation de la marge au flottement sans que le comportement mécanique de l'aube ou les performances aérodynamiques de l'aube ne soient dégradés. En particulier le couplage flexion-torsion peut être diminué sans qu'il soit nécessaire d'augmenter la masse de l'aube. 11