Brevet FR3089551A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : AUBE DE TURBOMACHINE A LOI DE CORDe 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'aubage et de la turbomachine. 100101 La conception de l'aube et de l'aubage 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'aubage 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] 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 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 est de proposer est de proposer un auhage qui présente une meilleure tenue à la perte d'aube. [0022] L'invention propose quant à elle une aube dc rotor dc turbomachine comportant 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 et un bord de fuite et une corde définie par la longueur du segment qui s'étend du bord d'attaque au bord de fuite caractérisé en ce que : - le rapport de la corde à mi-hauteur et de la corde en pied d'aube est compris entre 140% et 160% ; - le rapport de la corde en tête d'aube et de la corde en pied d'aube est compris entre 115% et 135%; [0023] Une telle aube est avantageusement complétée par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : - le rapport de la corde à mi-hauteur d'aube et de la corde en pied d'aube est compris entre 145% et 155% ; - le rapport de la corde en tête d'aube et de la corde en pied d'aube est compris entre 3 120% et 130% ; - la corde est localement constante en pied d'aube et à mi-hauteur d'aube ; - la courbe de la corde d'une section de l'aube en fonction de sa hauteur varie de façon continue en fonction de ladite hauteur, et la pente de la tangente à la courbe de la corde varie de façon continue en fonction de ladite hauteur ; [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 unc telle soufflante. Brève description des dessins [0026] 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] [fig.6] [0037] les figures 5 et 6 sont des diagrammes illustrant l'évolution, entre le pied et la tête d'aube, de la corde d'une aube selon l'invention ; [0038] [fig.7] [0039] la figure 7 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. [0040] DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN OEUVRE et DE rÉalisation Turbomachine - Présentation générale 100411 En référence à la figure 1 une turbomachine est représentée de manière schématique, plus spécifiquement un turboréacteur axial 1 à double flux. Le turboréacteur 1 illustré comporte unc 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. [0042] 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. [0043] 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). [0044] Chaque compresseur 3, 4 et chaque turbine 6, 7 du turboréacteur 1 comportent plusieurs étages, chaque étage étant formé par un auhagc fixe ou stator, et un aubagc tournant ou rotor. [0045] 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. [0046] 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. [0047] En référence à la figure 3, une 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. [0048] 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. [0049] 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. [0050] 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. [0051] L'aube de rotor de turbomachine peut être démit 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. [0052] Un tel plan P est représenté sur les figures 3 et 4. 100531 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. [0054] Chaque section d'aube peut être décrite comme comportant un bord d'attaque et un bord de fuite. [0055] 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. [0056] 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. [0057] Dans le présent texte, le terme « corde » seul est utilisé pour désigner la longueur du segment correspondant à la ligne de corde, c'est-à-dire la distance entre ces deux points les plus éloignés. [0058] 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). [0059] On a également représenté par des doubles flèches sur cette figure 4 : [0060] - 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, [0061] - 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 ; [0062] - 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 corde [0063] Les cordes des aubes varient en fonction de la hauteur de la section qui leur correspond dans la hauteur du pied d'aube. [0064] 11 a été constaté par les inventeurs que des lois de corde spécifiques permettaient de bien meilleures marges au flottement. [0065] C'est le cas notamment lorsque les relations suivantes sont respectées : - le rapport de la corde à mi-hauteur et de la corde en pied d'aube est compris entre 6 140% et 160% ; - le rapport de la corde en tête d'auhe et de la corde en pied d'aube est compris entre 115% et 135%. [0066] De meilleurs marges sont encore obtenues si les relations suivantes sur la corde sont respectées : - le rapport de la corde à mi-hauteur d'aube et de la corde en pied d'aube est compris entre 145% et 155%, - le rapport de la corde en tête d'aube et de la corde en pied d'aube est compris entre 120% et 130%. [0067] Une loi de corde en ce sens est illustrée sur le graphe de la figure 5, sur lequel la valeur de 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. [0068] Sur ce graphe : - r est la valeur de corde en pied d'aube (section d'aube correspondant à la hauteur de 0%), - u et v sont des valeurs limites qui encadrent la valeur de corde en tête d'auhe (hauteur de 100%), - s et t sont des valeurs limites qui encadrent la valeur de corde à mi-hauteur de l'aube (hauteur de 50%), - a est une valeur de hauteur strictement positive. [0069] Les valeurs de corde r, s, t, u, v et la valeur de hauteur a vérifient par exemple les relations suivantes : (s4)=140% ou (s/r), 145% (t/r) = 160 % ou (t/r) = 155 % (u/r) = 115% ou (u/r) = 120% (v/r) = 135% ou (v/r) = 130% a = 5% ou a = 15% [0070] Sur la figure 5, la loi de corde de l'aube est représentée par la courbe 30 en trait continu sur ce graphe. [0071] La courbe 30 représente les variations de la corde de la section d'aube en fonction de sa hauteur. La courbe 30 peut être une courbe continue et pour laquelle on peut définir une tangente en chacun de ses points. [0072] 11 est possible alors de définir une dérivée de la corde de la section d'aube en fonction de sa hauteur. Cette dérivée peut correspondre elle aussi à une courbe continue. Dans cette situation où la dérivée est continue, la courbe 30 de la corde de la section d'aube en fonction de sa hauteur ne présente pas de points anguleux où il y a une rupture de pente de sa tangente. La pente de la tangente à la courbe 30 varie de 7 manière continue en fonction de la hauteur. [0073] La courbe 30est comprise entre deux courbes limites 31 et 32, qui sont deux courbes affines par morceaux (courbes formées de portions de droites). [0074] La courbe 31 (en pointillés mixtes) est définie en l'occurrence par deux demi- droites : [0075] - 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%, [0076] - 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 une valeur de corde égale à y pour une hauteur de 100%. [0077] La courbe 32 (en pointillés simples) est définie [0078] - par une demi-droite s'étendant entre un point de valeur de corde égale à « r » pour une hauteur « a » strictement positive et un point correspondant à une valeur de corde égale à « s » pour une hauteur de 50%, [0079] - par une demi-droite qui s'étend dudit point correspondant à une valeur de corde égale à « s » pour une hauteur de 50% à un point de valeur de corde égale à « u » pour une hauteur de 100%. [0080] Comme illustré sur la figure 5, la corde peut être localement constante dans la zone du pied d'aube. [0081] Elle peut être également localement constante dans la zone de mi-hauteur d'aube et dans la zone de la tête d'aube. [0082] Il est précisé que : [0083] - la zone de mi-hauteur d'aube correspond à l'intervalle de hauteur entre 40% de hauteur et 60% de hauteur de l'aube, et peut plus particulièrement désigner l'intervalle de hauteur entre 45% de hauteur et 55% de hauteur ; [0084] - la zone de la tête d'aube correspond à l'intervalle de hauteur entre 90% de hauteur et 100% de hauteur de l'aube, et peut plus particulièrement désigner l'intervalle de hauteur entre 95% de hauteur et 100% de hauteur ; le fait que la corde est localement constante dans la zone du pied d'aube signifie que dans cette zone, la corde prend des valeurs proches les unes des autres de sorte que l'écart relatif maximum entre deux valeurs prises par la corde dans cette zone est de 10%, préférentiellement de 5% et encore plus préférentiellement de 2%. [0085] - Le fait que la corde est localement constante dans la zone de mi-hauteur d'aube signifie que dans cette zone, la corde prend des valeurs proches les unes des autres de sorte que l'écart relatif maximum entre deux valeurs prises par la corde dans cette zone est de 10% préférentiellement de 5% et encore plus préférentiellement de 2%. [0086] Le fait que la corde est localement constante dans la zone du pied d'aube est illustré sur la figure 5 par le fait que la tangente à la courbe 30 pour une hauteur de 0% est 8 verticale, c'est-à-dire parallèle à l'axe des ordonnées. De même, la corde localement constante dans la zone de mi-hauteur d'aube est illustrée sur la figure 5 par le fait que la tangente à la courbe 30 pour une hauteur de 50% est verticale c'est-à-dire parallèle à l'axe des ordonnées. Cette tangente a été représentée pour la hauteur de 50%. [0087] En variante encore, la loi de corde peut également vérifier d'autres caractéristiques contribuant elles aussi à augmenter les marges au flottement. [0088] La corde peut par exemple être constante entre le pied d'aube (hauteur de 0%) et le premier quart de la hauteur d'aube (hauteur de 25%), ainsi qu'entre le troisième quart de la hauteur d'aube (hauteur de 75%) et la tête d'aube (hauteur de 100%). [0089] La courbe 33 sur la figure 6 représente les variations de la corde de la section d'aube en fonction de sa hauteur. La courbe 33 correspond à une corde constante entre le pied d'aube (hauteur de 0%) et la hauteur d'aube h, et à une corde constante entre la hauteur d'aube c et la tête d'aube (hauteur de 100%). [0090] La corde vaut la valeur r pour une hauteur de 0%, une valeur w pour une hauteur de 50% et une valeur q pour une hauteur de 100%. [0091] La corde varie des valeurs r à w sur les pourcentages de hauteur de h à 50%. [0092] La corde varie des valeurs w à q sur les pourcentages de hauteur de 50% à c. [0093] Les valeurs des paramètres h et c vérifient par exemple : [0094] h est compris entre 5% et 15% [0095] c est compris entre 85% et 95% [0096] Les valeurs des valeurs de corde r, q et w vérifient par exemple : [0097] (w/r) est compris entre 140% et 160%, de préférence entre 145% et 155% [0098] (q/r) est compris entre 115% et 135%, de préférence entre 120% et 130% [0099] Les variations de corde de la section d'aube en fonction de sa hauteur peuvent cor- respondre à des variations dans des sens opposés du profil du bord d'attaque 16 et du bord de fuite 17. [0100] Une augmentation de la corde peut correspondre à une variation du profil du bord de fuite dans le sens de l'axe X tel que représenté sur la figure 3, et une variation du profil du bord d'attaque dans le sens opposé de l'axe X. [0101] Inversement, une diminution de la corde peut correspondre à une variation du profil du bord de fuite dans le sens opposé de l'axe X et une variation du profil du bord d'attaque dans le sens de l'axe X [0102] En particulier, les modifications de corde peuvent être apportées de sorte que le centre de gravité CG de la section de l'aube conserve d'une hauteur à une autre la même position par rapport aux axes X et Y. Autrement dit, les coordonnées du centre de gravité de la section d'aube selon les axes X et Y restent constantes d'une hauteur Z à une autre. [0103] Ligne de fonctionnement d'une soufflante de turbomachine 9 [0104] En référence à la figure 7, des lignes de fonctionnement d'une soufflante représentent de manière schématique le taux de compression en fonction du débit. [0105] Les courbes AI, 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. [0106] 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. [0107] 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 AS et à gauche de la courbe A10 correspondent à un phénomène de flottement important. [0108] La marge au flottement peut être définie comme une distance Al 1 entre la courbe C et la courbe A10. [0109] La courbe B10 matérialise la frontière de la zone de flottement du moteur cor- respondant. La marge au flottement peut être définie comme une distance Bll entre la courbe B10 et la courbe C, courbe de fonctionnement nominal. [0110] La distance B11 étant supérieure à la distance Al 1, la marge au flottement a été augmentée par rapport aux aubes connues de l'art l'antérieur. [0111] Des simulations numériques montrent que le respect d'une loi de corde telle que proposé plus haut : [0112] - diminue la valeur du couplage flexion [0113] - augmente la valeur de la fréquence du premier mode de flexion de l'aube. [0114] La diminution du couplage flexion-torsion et l'augmentation de la fréquence du premier mode de flexion de l'aube ont tendance à diminuer l'effet de flottement et à augmenter la marge au flottement. [0115] Un avantage apporté par les lois de corde telles qu'on les a présentées plus haut, est une meilleure tenue à la perte d'aube, c'est-à-dire une augmentation de la résistance au phénomène de « Fan Blade Out » ou éjection de pâle. [0116] D'une part une aube avec une corde plus importante autour d'un pourcentage de hauteur de 50% présente un risque moindre de rompre ou de se détacher du disque. [0117] D'autre part, en cas de rupture d'une aube, l'aube rompue vient collisionner ses aubes voisines dans la zone du pourcentage de hauteur de 50%. Les aubes voisines présentent une meilleure résistance à la collision grâce à une corde plus importante dans ladite zone. 10