Brevet FR3088972A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : Rouet de compresseur centrifuge, compresseur équipé de ce rouet et turbomachine équipée de ce compresseur [0001] DOMAINE TECHNIQUE GENERAL [0002] La présente invention concerne un rouet de compresseur centrifuge, un compresseur centrifuge (notamment haute pression), équipé de ce rouet et une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, équipée de ce compresseur centrifuge. Technique antérieure [0003] En se reportant à la figure 1 jointe, qui représente un état de la technique, on peut voir un exemple de compresseur centrifuge haute pression A d'une turbomachine. [0004] Sur cette figure, quatre étages successifs de compression axiale sont visibles, chaque étage comprenant un rotor (ici respectivement Bl, B2, B3, B4) et un redresseur (ici respectivement Cl, C2, C3, C4), et un cinquième et dernier étage de compression qui permet de réaliser une compression centrifuge (c'est-à-dire radiale). [0005] Ce cinquième étage de compression comprend un rotor B5, dénommé "rouet" et un redresseur C5. Dans la suite de la description et des revendications, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation normal du fluide (l'air), à travers le compresseur et donc à travers le rouet. Sur les figures, le côté amont est représenté par la référence AM et le côté aval par la référence AV. De même, dans la description et les revendications, les termes « axial » et « radial » sont définis par rapport à l'axe de rotation X-X' du rouet. 100061 L'air circule de l'amont vers l'aval du compresseur et en sortie de ce cinquième étage de compression débouche dans une chambre annulaire de combustion dont seule l'entrée E est visible sur la figure I. 100071 Les figures 3 et 4 jointes représentent ce rouet B5 connu de l'état de la technique. Ce rouet comprend une jante cylindrique F depuis laquelle s'étend un voile radial périphérique G. La jante F se prolonge vers l'amont AM par une virole amont H et vers l'aval AV par un fût J. 100081 Une série de pales incurvées s'étendent sur la face amont du voile radial G. Ces pales peuvent être toutes identiques. Toutefois, comme sur l'exemple représenté sur la figure 3, il est possible d'avoir un rouet B5 muni d'une série de pales principales K (dont l'une est visible sur la vue de détail de la figure 2A jointe) et d'une série de pales intercalaires M (dont l'une est visible sur la vue de détail de la figure 2B jointe), chaque 2 pale intercalaire M étant intercalée entre deux pales principales K voisines. [0009] Le rouet est la pièce la plus critique du compresseur. [0010] En effet, il est soumis à de très fortes contraintes, à savoir des contraintes statiques au niveau des pales et des contraintes dynamiques liées notamment aux vibrations et à la chaleur lorsque le rouet tourne. [0011] Les contraintes statiques s'exercent en différents points du rouet pendant que l'avion, (muni de la turbomachine incluant le compresseur et le rouet précités), vole sous différents régimes (roulage au sol, décollage, vol, etc...). [0012] Toutes ces contraintes ont une incidence sur la durée de vie du rouet qui tend à diminuer. [0013] Des cartographies des contraintes subies par le rouet ont été établies en fonction des différents types de sollicitations, à savoir l'effort centrifuge et le gradient thermique. [0014] Sur la figure 4 jointe, qui représente une vue en coupe longitudinale du rouet B5, on peut voir que l'effort centrifuge et le gradient thermique ont pour effet de provoquer la courbure vers l'amont AM des pales K, M et donc du voile G, (voir flèche fl) et de provoquer une dilatation et un déplacement radial vers l'extérieur de la virole amont H, (voir flèche f2). [0015] Ces contraintes ont un impact sur la durée de vie du rouet et donc sur la maintenance de la turbomachine. [0016] Des rouets présentant une nouvelle conception, afin d'augmenter leur durée de vie, ont été réalisés mais ne se sont pas révélés probants. De même, des essais ont été faits pour redessiner les pales, mais ceci a abouti à une diminution des performances aérodynamiques du rouet. Exposé de l'invention [0017] Un objectif de l'invention est de pallier les inconvénients précités de l'état de la technique et de proposer un rouet qui présente une diminution des contraintes notamment à la base des pales et une augmentation de sa durée de vie, mais ce, sans impact aérodynamique et sans diminuer ses performances. [0018] A cet effet, l'invention concerne un rouet de compresseur centrifuge, notamment de compresseur centrifuge haute pression, comprenant une jante qui se prolonge dans la direction axiale du rouet et vers l'amont par une virole annulaire amont et qui se prolonge, dans la direction radiale du rouet, vers l'extérieur, par un voile muni d'aubes solidaires de sa face amont et vers l'intérieur, par un premier anneau de fixation radiale, qui s'étend dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du rouet et qui présente, en section axiale, une forme en queue d'aronde dont le bord radialement interne est plus épais dans la direction axiale du rouet que le reste de l'anneau. [0019] Conformément à l'invention, ce rouet comprend un deuxième anneau de fixation 3 radiale, qui s'étend dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du rouet, en amont dudit premier anneau de fixation radiale et depuis la face radialement intérieure du voile, cc deuxième anneau de fixation radiale présentant en section axiale, une forme en queue d'aronde dont le bord radialcment interne est plus épais dans la direction axiale du rouet que le reste dudit deuxième anneau. [0020] Grâce au deuxième anneau de fixation radiale, on obtient un rouet présentant une di- minution significative des contraintes, une augmentation de sa durée de vie et davantage de marge vibratoire. [0021] Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison : - la virole annulaire amont est munie d'une bride annulaire radiale amont et la position axiale des deux anneaux de fixation radiale est telle que le ratio entre la distance entre la face amont de ladite bride radiale amont et le plan médian du premier anneau perpendiculaire à l'axe longitudinal du rouet et la distance entre la face amont de ladite bride radiale amont et le plan médian du deuxième anneau perpendiculaire à l'axe longitudinal du rouet est compris entre 1,4 et 1,6, les deux distances étant mesurées selon l'axe longitudinal du rouet ; - le ratio entre la largeur axiale du premier anneau de fixation radiale mesurée le long de son bord radialement interne et la largeur axiale du deuxième anneau mesurée le long de son bord radialement interne est compris entre 3,1 et 3,4 ; - le ratio entre le rayon de courbure aval de la toile aval du deuxième anneau de fixation radiale et le rayon de courbure amont de la toile amont du deuxième anneau de fixation radiale est compris entre 1,6 et 2, de préférence égal à 1,8 ; - le ratio entre la plus petite largeur axiale du fût et la plus petite largeur axiale du deuxième anneau de fixation radiale est compris entre 2,1 et 2,3 ; - ledit premier anneau de fixation radiale et ledit deuxième anneau de fixation radiale présentent chacun un alésage cylindrique coaxial à l'axe longitudinal du rouet et le ratio entre le diamètre de l'alésage dudit premier anneau de fixation radiale et le diamètre de l'alésage dudit deuxième anneau de fixation radiale est égal à 1. L'invention concerne également un compresseur centrifuge, notamment haute pression, qui comprend un rouet de compresseur centrifuge tel que précité. Enfin, l'invention concerne une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, qui comprend un compresseur centrifuge tel que précité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés, qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, un mode de réalisation possible. Sur ces dessins : [fig.1] est une vue en coupe axiale d'une partie d'un compresseur haute pression centrifuge de l'état de la technique, [fig.2A] est une vue de détail d'une pale principale du rouet de l'état de la technique représenté sur la figure 3, [fig.2B] est une vue de détail d'une pale intercalaire du rouet de l'état de la technique représenté sur la figure 3, [fig.3] est une vue en perspective du rouet de la figure 1, [fig.4] est un schéma représentant les effets de différentes contraintes qui s'exercent sur un rouet de l'état de la technique, [fig.5] est un schéma représentant les effets de différentes contraintes qui s'exercent sur un rouet conforme à l'invention, [fig.6] est une vue en perspective d'une portion du rouet conforme à l'invention, et [fig.7] est une vue en coupe axiale (longitudinale) d'une portion du rouet conforme à l'invention, et [fig.8] est une vue en coupe axiale du rouet conforme à l'invention sur laquelle sont re- présentées différentes dimensions de ce rouet. Le rouet centrifuge 1 conforme à l'invention, va maintenant être décrit plus en détail en liaison avec les figures 6 et 7. Le rouet 1 est destiné à tourner autour d'un axe de rotation qui se confond avec son axe longitudinal X-X'. Sur la figure 6, seule une partie de ce rouet de forme générale cylindrique est re- présentée. Le rouet 1 comprend sensiblement dans sa partie centrale, une jante 2. Cette jante 2 se prolonge vers l'amont et dans la direction axiale du rouet par une virole annulaire amont 3. Comme cela apparaît mieux sur la vue en coupe de la figure 7, cette virole amont 3 est de préférence légèrement évasée vers l'amont et vers l'extérieur. En outre, son extrémité amont est recourbée radialement vers l'intérieur de façon à définir une bride amont radiale annulaire 30. La face amont 301 de la bride amont 30 s'étend dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal X-X'. De plus, la jante 2 se prolonge avantageusement vers l'arrière par un fût 4 cylindrique dont l'extrémité aval 40 est de préférence recourbée radialement en direction de l'axe longitudinal X-X'. La jante 2 se prolonge également radialement vers l'extérieur par un voile annulaire incurvé 5. La face aval 51 du voile 5 s'étend radialement ou sensiblement radialemcnt, tandis que la face amont 52 du voile est incurvée. Dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures 6 et 7, le rouet comprend une série de pales principales 53 et une série de pales intercalaires 54, chaque pale intercalaire 54 étant intercalée entre deux pales principales 53 voisines. Il pourrait également ne comprendre que des pales identiques. Les pales 53, 54 sont solidaires du voile 5. En outre, les différentes pales 53, 54 sont avantageusement légèrement vrillées sur elles-mêmes de l'amont vers l'aval. Ces différentes pales sont disposées de sorte que les bords d'attaque 540 de chaque pale intercalaire 54 se trouvent axialemcnt plus en aval que les bords d'attaque 530 de chaque pale principale 53. Lorsque le compresseur fonctionne et que le rouet est entraîné en rotation, le fluide (l'air) est aspiré depuis l'amont et dirigé par les pales 53, 54 vers la périphérie du rouet en étant guidé à l'intérieur par le voile 5 et à l'extérieur par un carter non représenté sur les figures. Enfin, la jante 2 se prolonge radialement vers l'intérieur par un premier anneau de fixation radiale 6, connu de l'homme du métier sous la dénomination de « poireau ». Ce premier anneau de fixation radiale 6 est fixé via la virole annulaire amont 3 et le fût cylindrique 4 à l'arbre rotatif du compresseur, non représenté sur les figures. Il présente un alésage central cylindrique 60 coaxial à l'axe longitudinal X-X' du rouet (voir figure 8). Ce premier anneau de fixation 6 présente en section axiale, (c'est-à-dire une section selon un plan de coupe parallèle à l'axe X-X'), une forme en queue d'aronde dont le bord radialement interne 61 est plus large (plus épais) en direction axiale que le reste de l'anneau 6. En conséquence, la face amont 62 de cet anneau, connue de l'homme du métier sous le nom de « toile amont » est incurvée. Il en est de même pour la toile aval 63. Conformément à l'invention, le rouet 1 comprend en outre un deuxième anneau de fixation radiale 7 ou « deuxième poireau » fixé via la virole annulaire 3 et le fût cylindrique 4 à l'arbre rotatif du compresseur. Ce deuxième anneau 7 présente un alésage central cylindrique 70 coaxial à l'axe X-X', une section axiale en forme de queue d'aronde, une toile amont 72 et une toile aval 73. Enfin, le bord radialement interne 71 de ce deuxième anneau de fixation 7 est élargi par rapport au reste de l'anneau. 6 Ce deuxième anneau de fixation radiale 7 est solidaire de la face radialement intérieure 55 du voile 5 depuis laquelle il s'étend radialement vers l'intérieur. Les deux anneaux de fixation (poireaux) 6 et 7 sont donc disposés dans des plans parallèles qui sont perpendiculaires à l'axe longitudinal X-X' du rouet et le deuxième anneau 7 est en amont du premier anneau 6 selon la direction axiale. De préférence, ce deuxième anneau de fixation 7 est positionné sensiblement entre les bords d'attaque 530 et 540 des pales principales 53 et intercalaires 54. Des tests de modélisation en deux dimensions et en trois dimensions ont été effectués pour déterminer la meilleure position de ce deuxième anneau de fixation radiale 7 et son dimensionnement, de façon à résoudre les problèmes précités de l'état de la technique, sans générer de contraintes supplémentaires. Les différents tests effectués ont permis d'optimiser les paramètres suivants : position axiale du deuxième anneau, sa largeur axiale en différents points, les rayons de courbure de ses toiles amont et avant et le diamètre de son alésage. Paramètres Ces derniers vont maintenant être décrits en faisant référence à la figure 8. Position axiale du deuxième anneau de fixation radiale 7 La distance entre la face amont 301 de la bride radiale amont 30 et le plan médian P6 du premier anneau 6, perpendiculaire à l'axe longitudinal X-X' du rouet porte la référence Ll. La distance entre la face amont 301 de la bride radiale amont 30 et le plan médian P7 du deuxième anneau 7, perpendiculaire à l'axe longitudinal X-X', porte la référence L2. Ces deux distances LI et L2 sont mesurées axialement, c'est-à-dire qu'elles sont mesurées par rapport à la projection orthogonale de la face amont 301 sur l'axe X-X'. De préférence, le ratio (Ll/L2) entre la distance LI et la distance L2 est compris entre 1,4 et1,6. Le respect de ce ratio LI/L2 permet de diminuer le déplacement de l'extrémité du voile vers l'amont. LarOEeur du deuxième anneau de fixation radiale 7 La largeur axiale du premier anneau de fixation 6, mesurée le long de son bord radialement interne 61, (c'est-à-dire à l'endroit où il est le plus large) est référencée L3. La largeur axiale du deuxième anneau de fixation 7, mesurée le long de son bord radialement interne 71 est référencée L4. De préférence, le ratio entre L3 et L4 (L3/L4) est compris entre 3,1 et 3,4. Ceci montre que le bord 71 n'a pas besoin d'être très large pour être efficace. Rayons de courbure du deuxième anneau de fixation radiale 7 Le rayon de courbure aval RI de la toile aval 73 du deuxième anneau 7,mesuré au niveau de la jonction avec le voile 5 est référencé RI. 7 Le rayon de courbure de la toile amont 72, mesuré au niveau de sa zone de jonction avec la virole amont 3 est référencé R2. De préférence, le ratio entre R1 et R2 (R1/R2) est compris entre 1,6 et 2.De préférence encore, il est égal à 1,8. Ce ratio contribue à la tenue du bord d'attaque 540 de la pale intercalaire 54 qui se trouve axialement plus à l'aval que celui de la pale principale 53. Plus petite largeur axiale du deuxième anneau La plus petite largeur axiale du fût 2 est référencée L5. La plus petite largeur axiale du deuxième anneau 7 est référencée L6. Ce paramètre a une influence sur la retenue radiale de la virole amont 3. De préférence, le ratio entre L5 et L6 (L5/L6) est compris entre 2,1 et 2,3. Diamètre de l'alésage du deuxième anneau de fixation Le diamètre de l'alésage 60 du premier anneau 6 est référencé Dl, celui de l'alésage 70 du deuxième anneau de fixation 7 est référencé D2. De préférence, le ratio Dl/D2 est égal à 1. Toutefois, il pourrait également être différent. Le rouet conforme à l' invention présente de nombreux avantages. L'ajout du deuxième anneau 7 permet de diminuer significativement les contraintes au niveau des pales. En se reportant à la figure 5, on peut voir que si la force fl qui s'exerce à l'extrémité du voile 5 est restée quasiment identique par rapport au rouet de l'art antérieur (figure 4), en revanche, la force f2 qui tendait à provoquer la dilatation de la virole s'est transformée en une force f3 qui tend à ramener la virole 3 vers l'intérieur et donc à empêcher sa dilatation. La résultante de ces contraintes qui s'exerce dans la zone marquée d'une étoile, à l'intersection du voile 5 et de la jante 2 est moindre qu'avec le rouet de l'art antérieur. On augmente ainsi la durée de vie du rouet et sa marge vibratoire. L'ajout de ce deuxième disque de fixation 6 n'a pas d'impact aérodynamique car la zone des pales et de la veine d'écoulement du fluide n'est pas modifiée. L'ajout du deuxième disque 7 a permis de diminuer les dimensions du premier anneau 6, de sorte que le bilan final en masse est inchangé. Enfin le rouet se déforme moins, donc les écarts entre les déplacements radiaux des bords d'attaques 530 et 540 et axiaux des bords de fuite des pales 53, 54 sont moins importants. Il est possible de réduire les jeux entre les pales et le carter extérieur (non représenté sur les figures), qui coiffe radialement les pales. Dans la description qui précède, il a été fait référence à un compresseur centrifuge, « notamment haute pression », mais l'invention s'applique plus généralement à tout type de compresseur centrifuge. 8 [Revendication I] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]