Traitement de carter de compresseur de turbomachine consistant en une rainure circulaire décrivant une ondulation en vue de contrôler les tourbillons de tête d'aubes

Abstract

 L'invention a trait à un traitement de carter de turbomachine, en particulier de compresseur de turbomachine. Le traitement consiste à réaliser une rainure (6) de forme généralement circulaire sur la surface interne du carter en regard de la partie avant des têtes d'aubes (3). Cette rainure décrit des ondulations le long de son profil de sorte à créer une fuite entre l'intrados et l'extrados des aubes (3) en vue de contrôler et de réduire les tourbillons naissant à la tête d'aube. Cette rainure crée un volume de fuite où le tourbillon naissant peut circuler et s'affaiblir. Elle crée parallèlement une fuite intermittente à une position axiale donnée de la tête des aubes générant ainsi un jet pulsé contrecarrant ou influençant le tourbillon. Les jets pulsés peuvent de plus induire une force non stationnaire sur la tête d'aube permettant d'amortir les oscillations de certains modes des aubes. Le profil de la rainure est généralement sinusoïdal. Il peut également contenir davantage de contenu fréquentiel. La réalisation de la rainure se fait par usinage où l'outil de coupe se déplace selon l'axe de la machine en vue de décrire le profil ondulatoire.

Description

Domaine technique

[0001] L'invention a trait à un traitement de carter de stator de turbomachine visant à réduire et/ou à contrôler les tourbillons de tête d'aubes d'une roue mobile. Plus particulièrement l'invention a trait à un carter de stator de compresseur de turbomachine, à un compresseur de turbomachine et à un procédé de réduction et/ou de contrôle du tourbillon de tête d'aubes d'une roue mobile de compresseur de turbomachine

Etat de la technique

[0002] Lors du fonctionnement d'une turbomachine, typiquement un compresseur comprenant au moins une roue mobile munie d'aubes et tournant dans un carter formant l'enveloppe extérieure de la veine fluide (liquide ou gazeux) à déplacer et à comprimer, un tourbillon en tête d'aube prend naissance et peut influencer négativement l'écoulement de fluide le long des aubes. Ce phénomène est illustré à la figure 1. Le tourbillon de tête 4' trouve sont origine dans la différence de pression entre l'intrados et l'extrados de l'aube 3' en mouvement. La direction générale de l'écoulement est indiquée par la flèche 1' et la direction de déplacement des aubes est indiquée par la flèche 2'. En raison du jeu mécanique nécessaire entre la tête de l'aube et le carter, cette différence de pression donne naissance à un tourbillon 4' dont l'axe principal 5' est essentiellement parallèle à la surface du carter et orienté essentiellement selon la tangente au profil de l'aube 3' à l'endroit du profil où il prend naissance. Ce tourbillon se propage du côté extrados de l'aube 3' où il a pris naissance et crée une zone morte bloquant une partie de l'écoulement entre les deux aubes voisines. Ce blocage est susceptible de générer un écoulement de retour depuis l'aval du compresseur vers l'amont de celui-ci. L'écoulement peut devenir pulsé et faire vibrer les aubes. Il s'agit d'un phénomène dénommé pompage où les aubes sont soumises à des contraintes vibratoires importantes.

[0003] Il est connu de l'état de l'art de prévoir différents types de traitements de carter de compresseur en vue de contrôler l'influence du tourbillon de tête sur l'écoulement de fluide et les performances du compresseur.

[0004] Le document US 6 582 189 B2 divulgue divers traitements de carter consistant essentiellement à réaliser des rainures soit parallèles à l'axe de rotation de la roue mobile, soit perpendiculaires à l'axe en question, ou encore une combinaison des deux. Typiquement, ce document prévoit la présence d'une section de rainure circulaire en intersection avec une série de rainures parallèles à l'axe de la machine et s'étendant depuis une zone en amont des aubes jusqu'à une zone en regard de la partie avant des têtes d'aubes, la section de rainure circulaire étant en regard de la partie avant des têtes d'aubes de la roue mobile. En alternative, ce document prévoit la présence de rainures identiques parallèles à l'axe de la machine et dont les extrémités avals sont incurvées dans le sens de déplacement des aubes par rapport à la surface du carter. Ces différents designs sont supposés réduire l'importante d'un tel tourbillon et son impact sur le rendement de la machine.

[0005] Il est également connu du document EP 1 961 920 A1 de prévoir un traitement de carter où des rainures formant des contours fermés sont pratiquées en regard des têtes d'aubes d'une roue mobile. Ces contours fermés couvrent typiquement chacun deux à trois aubes, c'est-à-dire que la largeur du contour selon la direction de rotation correspond à 1,5 à 2,5 pas d'aubes de la roue mobile.

[0006] Il est également connu du document JP 58-113504 de prévoir dans la surface du carter en regard des têtes d'aube d'une turbine une série de rainures droites ou incurvées parallèles.

[0007] Dans ces enseignements, les réseaux de rainures pratiquées ont pour objectif de former un volume où le tourbillon naissant pourra circuler et se dissiper au moins partiellement. La présence d'une série de rainures distribuées de façon régulière sur le pourtour de la surface interne du carter selon ces différents enseignements permet certes une action non stationnaire sur les phénomènes de tourbillons en tête d'aube mais ces différents traitements impliquent une mise en oeuvre assez lourde d'un point de vue usinage.

Exposé de l'invention

[0008] L'invention a pour objectif d'améliorer la réduction et/ou le contrôle des tourbillons de tête d'aubes d'une roue mobile de turbomachine et de simplifier la mise en oeuvre du traitement correspondant.

[0009] L'invention consiste en un carter de stator de turbomachine, comprenant une surface interne essentiellement symétrique en révolution autour de l'axe de la machine, le carter étant destiné à recevoir un rotor muni d'au moins une rangée d'aubes dont les extrémités décrivent un mouvement circulaire à proximité de la surface interne du carter lors de la rotation du rotor, la surface interne du carter comportant au moins une rainure circulaire en regard de la partie avant de la tête de la rangée d'aubes, la rainure étant destinée à réduire et/ou à contrôler le tourbillon de tête des aubes ; où la rainure décrit une ondulation le long de sa direction circulaire.

[0010] Ce profil de rainure procure l'avantage de créer une fuite continue entre la tête d'aube et le carter ainsi qu'une fuite intermittente à une position déterminée de la tête d'aube. Ces deux types de fuite permettent à un seul traitement de carter très simple à mettre en oeuvre de contrôler les tourbillons de tête d'aube par la combinaison d'un volume de recirculation et la génération de jets pulsés.

[0011] Préférentiellement la rainure décrit une boucle sans fin.

[0012] Préférentiellement l'ondulation de la rainure est dans le plan de la surface interne.

[0013] Préférentiellement la ligne médiane de la rainure décrit une sinusoïde.

[0014] Préférentiellement l'amplitude de la ligne médiane de la rainure selon l'axe de la machine ou un axe contenu dans le plan de la surface interne au niveau de la rainure et orienté selon l'écoulement du fluide est régie par la loi


où
x_m(Θ) est l'amplitude de la ligne médiane,
x_m0 est une constante,
Θ est la position angulaire dans un plan perpendiculaire à l'axe de la machine,
ω _¡ est la fréquence de la composante du signal par tour de carter,
A_i est le coefficient d'amplitude de la composante du signal,
et n est un entier ≥1.

Préférentiellement n>1.

[0015] Préférentiellement la largeur de la rainure est constante.

[0016] Préférentiellement la profondeur de la rainure est constante.

[0017] Préférentiellement le carter comporte une seule rainure par rangée d'aube du stator et la largeur de l'ondulation de la rainure mesurée selon une direction parallèle à l'axe de la machine est égale ou inférieure au tiers de la largeur des aubes correspondantes mesurée selon la même direction.

[0018] Préférentiellement la rainure est réalisée par usinage, préférentiellement au moyen d'un outil de fraisage.

[0019] L'invention consiste également en un compresseur de turbomachine comprenant un carter et un rotor tels que l'invention, où l'ondulation de la rainure est en regard d'une partie de la tête d'aube ne dépassant pas la moitié avant, préférentiellement le premier tiers de la longueur des aubes mesurée selon l'axe de la machine ou un axe contenu dans le plan de la surface interne au niveau de la rainure et orienté selon l'écoulement du fluide.

[0020] L'invention consiste également en un procédé de réduction et/ou de contrôle du tourbillon de tête d'aube d'une roue mobile de compresseur de turbomachine tournant dans un stator formant carter de la veine fluide, consistant à réaliser une rainure circulaire sur la surface intérieure du carter en regard de la partie avant de la tête des aubes de la roue mobile ; où la rainure est réalisée de sorte qu'elle décrive une ondulation le long de sa trajectoire circulaire.

[0021] Préférentiellement la rainure décrit une boucle sans fin.

[0022] Préférentiellement la rainure est réalisée par usinage où l'outil d'usinage se déplace par rapport au carter selon l'axe de la machine le long de la trajectoire de la rainure durant l'usinage.

Description sommaire des figures

[0023] 

La figure 1 est une vue schématique correspondant au rabattement dans le plan de la feuille des aubes d'une roue mobile d'une turbomachine selon l'état de la technique.

La figure 2 est une vue schématique correspondant au rabattement dans le plan de la feuille des aubes d'une roue mobile d'une turbomachine et illustrant le traitement de carter selon l'invention.

Meilleure manière de réaliser l'invention

[0024] La figure 2 illustre une vue en élévation des aubes d'une roue mobile, la surface extérieure de la roue étant rabattue dans le plan de la feuille. La direction générale de l'écoulement est indiquée par la flèche 1. La direction de déplacement des aubes 3 est illustrée par la flèche 2. Le traitement de carter consiste en une rainure 6 continue sur le pourtour de la surface interne du carter de la turbomachine. Cette rainure forme une boucle sans fin et décrit des ondulations le long de son profil. La ligne médiane de la rainure décrit des ondulations le long de la surface interne du carter de sorte à ce que la rainure évolue en regard de la partie avant des têtes d'aubes 3. La rainure est de largeur et profondeur approximativement constante. L'ondulation décrite est une sinusoïde dont la période correspond à deux fois le pas d'aube, c'est-à-dire la distance entre deux aubes voisines. La ligne médiane 7 de la rainure 6 ainsi que ses bords amont et aval décrivent le long de la surface interne du carter une trajectoire sinusoïdale. Le plan médian du profil est perpendiculaire à l'axe de rotation de la roue mobile. Le profil de la rainure évolue dans une bande annulaire dont le bord amont 8 est à distance du bord d'attaque des aubes 3 et le bord aval 9 est à une distance du bord d'attaque correspondant à un tiers environ de la longueur de l'aube.

[0025] La trajectoire ou le profil ondulé de la ligne médiane de la rainure a pour avantage de générer en plus de son effet stationnaire un effet non stationnaire similairement à celui des rainures répétées de l'état de l'art tout en étant beaucoup plus simple à mettre en oeuvre. En effet, le volume continu formé par la rainure crée une fuite permanente entre l'intrados et l'extrados de la tête d'aube et permet ainsi une stabilisation du tourbillon de tête de manière stationnaire, c'est-à-dire de manière constante le long de la périphérie de la surface interne du carter. De plus, le fait que la rainure couvre plusieurs positions axiales permet de créer une fuite intermittente entre l'intrados et l'extrados de la tête d'aube pour une position de la tête donnée. Cette fuite intermittente induit un jet pulsé qui réduit l'incidence de l'écoulement sur la tête d'aube. En fonction de la période de l'ondulation et en fonction de la vitesse de rotation de la roue mobile, les jets pulsés générés peuvent induire des phénomènes non stationnaires.

[0026] La rainure peut être caractérisée par les paramètres suivants :

• sa profondeur p ;
• sa largeur I ; et
• la position de sa ligne médiane x_m selon un axe parallèle à l'axe de la machine.

[0027] La profondeur p et la largeur I sont généralement constants mais on pourrait envisager de les faire varier. La profondeur est typiquement de l'ordre du jeu existant entre les têtes d'aubes et la surface interne du carter. En pratique, la profondeur est légèrement supérieure afin de compenser une usure éventuelle résultant de frottement entre les têtes d'aubes et le carter. Ce jeu correspond généralement à environ 1 à 2 % de la hauteur d'aube.

[0028] La position x_m de la ligne médiane est régie par la loi suivante :


où x_m est exprimé en fonction de l'angle Θ de la position angulaire de la rainure dans un plan perpendiculaire à l'axe de la machine, x_m0 est une constante, ω_¡ est un paramètre correspondant à la fréquence du signal par tour de carter, A_i est un coefficient d'amplitude et n est un entier ≥1.

[0029] Lorsque n est égal à 1, la loi définit une sinusoïde pure dont la forme est définie par les deux paramètres suivants : l'amplitude A et la fréquence ω.

[0030] Lorsque n est supérieur à 1, on obtient une forme plus complexe avec cette fois 2n paramètres. Ceci augmente le contenu fréquentiel, ce qui permet d'interagir sur plusieurs fréquences fondamentales de l'écoulement (par exemple les fréquences de Crow et de Widnall de stabilité du tourbillon) ou de l'aube (par exemple, les modes de flexion de la tête de l'aube). En pratique n est égal à 2 ou 3 mais des valeurs supérieures sont envisageables.

[0031] En adaptant ces paramètres, en particulier la fréquence de la ou des sinusoïde(s) on peut également induire une force non stationnaire sur la tête des aubes permettant d'amortir les oscillations de certains modes des aubes. Les oscillations auxquelles les aubes sont soumises sont par exemple du type « Flexion » correspondant à une déformation en flexion de l'aube et aussi du type « Stripe » qui est une déformation dite en drapeau de l'aube. Le contenu fréquentiel de la rainure peut donc être sélectionné de sorte à générer des forces contrant certaines oscillations inhérentes à certains régimes de fonctionnement de la machine et particulièrement néfastes pour la durée de vie de l'aube.

[0032] La réalisation du traitement de carter est particulièrement aisée. Elle nécessite l'usinage de la rainure au moyen d'une machine d'usinage où l'outil de coupe est déplacé par rapport au carter ou inversément, selon le profil désiré. En pratique, le carter est déplacé en rotation par rapport à l'outil de coupe qui lui est déplacé uniquement selon l'axe de la turbomachine. C'est le déplacement axial de l'outil de coupe synchronisé avec le déplacement rotationnel du carter qui définit les ondulations de la rainure.

[0033] Bien qu'une seule rainure soit représentée à la figure 2, il est tout-à-fait envisageable de prévoir deux rainures ou plus encore.

Revendications

1. Carter de stator de turbomachine, comprenant une surface interne essentiellement symétrique en révolution autour de l'axe de la machine, le carter étant destiné à recevoir un rotor muni d'au moins une rangée d'aubes (3) dont les extrémités décrivent un mouvement circulaire à proximité de la surface interne du carter lors de la rotation du rotor, la surface interne du carter comportant au moins une rainure (6) circulaire en regard de la partie avant de la tête de la rangée d'aubes (3), la rainure (6) étant destinée à réduire et/ou à contrôler le tourbillon de tête des aubes ;
caractérisé en ce que
la rainure (6) décrit une ondulation le long de sa direction circulaire.

2. Carter selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la rainure (6) décrit une boucle sans fin.

3. Carter selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'ondulation de la rainure (6) est dans le plan de la surface interne.

4. Carter selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la ligne médiane (7) de la rainure (6) décrit une sinusoïde.

5. Carter selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'amplitude de la ligne médiane (7) de la rainure (6) selon l'axe de la machine ou un axe contenu dans le plan de la surface interne au niveau de la rainure et orienté selon l'écoulement du fluide est régie par la loi


où
x_m(Θ) est l'amplitude de la ligne médiane,
x_m0 est une constante,
Θ est la position angulaire dans un plan perpendiculaire à l'axe de la machine,
ω _¡ est la fréquence de la composante du signal par tour de carter,
A_i est le coefficient d'amplitude de la composante du signal,
et n est un entier ≥1.

6. Carter selon la revendication précédente, caractérisé en ce que n>1.

7. Carter selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la largeur I de la rainure (6) est constante.

8. Carter selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la profondeur p de la rainure (6) est constante.

9. Carter selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une seule rainure (6) par rangée d'aube du stator et la largeur de l'ondulation de la rainure mesurée selon une direction parallèle à l'axe de la machine est égale ou inférieure au tiers de la largeur des aubes (3) correspondantes mesurée selon la même direction.

10. Carter selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la rainure (6) est réalisée par usinage, préférentiellement au moyen d'un outil de fraisage.

11. Compresseur de turbomachine comprenant un carter et un rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ondulation de la rainure (6) est en regard d'une partie de la tête d'aube ne dépassant pas la moitié avant, préférentiellement le premier tiers de la longueur des aubes mesurée selon l'axe de la machine ou un axe contenu dans le plan de la surface interne au niveau de la rainure et orienté selon l'écoulement du fluide (1).

12. Procédé de réduction et/ou de contrôle du tourbillon de tête d'aubes d'une roue mobile de compresseur de turbomachine tournant dans un stator formant carter de la veine fluide, consistant à réaliser une rainure circulaire (6) sur la surface intérieure du carter en regard de la partie avant de la tête des aubes (3) de la roue mobile,
caractérisé en ce que
la rainure (6) est réalisée de sorte à ce qu'elle décrive une ondulation le long de sa trajectoire circulaire.

13. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la rainure décrit une boucle sans fin.

14. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la rainure est réalisée par usinage où l'outil d'usinage se déplace par rapport au carter selon l'axe de la machine le long de la trajectoire de la rainure durant l'usinage.

Dessins