Prélèvement en tête des roues mobiles de compresseur haute pression de turboréacteur

Description

Domaine de l'invention

[0001] La présente invention se rapporte au domaine spécifique des turbomachines et elle concerne plus particulièrement un dispositif de prélèvement d'air dans la veine aérodynamique d'un compresseur axial haute pression de ces turbomachines.

Art antérieur

[0002] Dans les compresseurs axiaux haute pression des turboréacteurs ou des turbopropulseurs (appelés dans la suite de la description turbomachines), il est connu que le jeu existant entre les extrémités des aubes mobiles du compresseur et le carter formant la paroi interne de la veine d'écoulement de l'air dégrade le rendement du moteur de la turbomachine. En outre, ce jeu peut notablement modifier et dégrader le fonctionnement du compresseur jusq'à l'apparition d'un phénomène de « pompage ». Une solution à ce problème est donnée par le brevet FR 2 564 533 qui, pour éviter le pompage dans un compresseur axial, montre un façonnement spécifique du carter associé à un agencement spécifique d'un système de débit d'air. Cet aménagement est toutefois relativement complexe et de mise en oeuvre délicate.

Objet et définition de l'invention

[0003] La présente invention a pour objet un compresseur de turbomachine permettant d'obtenir une amélioration notable par rapport aux dispositifs de l'art antérieur du rendement et de la marge de sécurité de fonctionnement vis à vis du pompage dite aussi marge au pompage.

[0004] Ces buts sont atteints par un compresseur de turbomachine comportant une pluralité d'aubes mobiles et, espacée dans une direction axiale par rapport à un axe central longitudinal de la turbomachine, une pluralité d'aubes fixes, un carter fixe enveloppant ladite pluralité d'aubes mobiles, caractérisé en ce que ledit carter fixe comporte une pluralité de trous de prélèvement centrés entre 5 et 50% de la longueur de corde de l'aube et d'un diamètre inférieur ou égal à 30% de ladite longueur de corde de l'aube, chacun desdits trous de prélèvement présentant une double inclinaison par rapport audit axe central longitudinal.

[0005] Ainsi, avec cette configuration de prélèvement en tête des aubes mobiles, la marge au pompage est augmentée et le rendement est amélioré sensiblement.

[0006] De préférence, le rapport entre le débit d'air global du compresseur et le débit d'air prélevé est compris entre 0,1 et 5 %.

[0007] Selon un mode de réalisation avantageux, ledit carter fixe comporte en outre des lamelles obliques disposées au droit de ladite pluralité d'aubes mobiles de part et d'autre de chaque trou de prélèvement et orientées selon ledit angle ϕ.

[0008] Avantageusement, lesdits trous de prélèvement comportent chacun un premier axe d'inclinaison présentant un angle ϕ par rapport à l'axe central longitudinal compris entre 30 et 90° et un second axe d'inclinaison perpendiculaire au premier et présentant un angle θ par rapport à l'axe central longitudinal compris entre 30 et 90°.

[0009] Selon le mode de réalisation envisagé, lesdits trous de prélèvement peuvent être disposés en quinconce ou formés de fentes axisymétriques. Ces trous de prélèvement peuvent aussi être non circulaires.

Brève description des dessins

[0010] Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels :

• la figure 1 est une vue schématique fragmentaire d'une section de compresseur selon l'invention comportant plusieurs étages d'aubes mobiles encadré chacun par deux étages d'aubes fixes,
• la figure 2 est une vue de dessus du carter de la figure 1 dans un premier mode de réalisation de l'invention,
• la figure 3 est une vue de dessus du carter de la figure 1 dans un deuxième mode de réalisation de l'invention,
• la figure 4 est une vue de dessus du carter de la figure 1 dans un troisième mode de réalisation de l'invention,
• les figures 5 et 6 sont des courbes illustrant l'évolution du taux de compression en fonction respectivement du rendement et du débit d'entrée du compresseur selon l'art antérieur et avec l'invention, et
• la figure 7 est une vue de l'intérieur du carter de la figure 1 dans une variante du premier mode de réalisation de l'invention,
• la figure 8 est une coupe selon le plan VIII-VIII de la figure 7,
• la figure 9 est une section semblable à celle de la figure 7 pour une première variante de réalisation du carter, et
• les figures 10 et 11 sont des vues semblables à celle de la figure 9 pour deux autres variantes de réalisation du carter.

Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel

[0011] La figure 1 est une vue schématique d'une section d'un compresseur axial haute pression 10 disposé autour d'un axe central longitudinal (axe moteur 12) d'une turbomachine et délimitée à sa partie extérieure par un carter 14 formant une surface de révolution autour de cet axe central longitudinal. Ce compresseur comporte plusieurs étages successifs de compression (dans une direction axiale), chaque étage comportant réparties sur toute la circonférence une pluralité d'aubes mobiles (rotor 16) pouvant tourner autour de l'axe moteur et une pluralité d'aubes fixes (stator 18). Un jeu e existe entre l'extrémité supérieure 20 de chaque aube mobile et le carter fixe 14 qui enveloppe le compresseur. Ce jeu peut être le lieu de violentes turbulences qui peuvent détériorer la configuration de l'écoulement entre les différents étages et donc entraîner une dégradation des performances du compresseur ou, à l'extrême, provoquer un phénomène dit de « pompage » ou de « décrochage » constitué par une chute instantanée du taux de compression et une inversion du débit d'air traversant le compresseur qui sort alors par l'amont du compresseur.

[0012] Selon l'invention, la plage de sécurité en fonctionnement vis-à-vis du pompage est augmentée par l'adjonction d'un dispositif de prélèvement d'air disposé en tête des aubes mobiles, c'est-à-dire sensiblement au niveau de son bord d'attaque 22.

[0013] Ce dispositif de prélèvement comporte une pluralité de trous 24, de préférence cylindriques, pratiqués dans le carter fixe 14, centrés entre 5 et 50% de la longueur de corde de l'aube et d'un diamètre inférieur ou égal à 30% de la longueur de corde de l'aube, la corde de l'aube étant le segment de droite reliant le bord d'attaque au bord de fuite d'une aube mobile. Le nombre des trous de prélèvement est déterminé en fonction du débit d'air à prélever par rapport au débit d'air global traversant le compresseur. Typiquement, un débit d'air compris entre 0,1 et 5 % garantit une efficacité de fonctionnement du dispositif selon les différentes mesures effectuées par les inventeurs.

[0014] Ces trous de prélèvement présentent une double inclinaison avec un premier axe projeté dans le plan aube à aube présentant un angle ϕ par rapport à l'axe moteur compris entre 30 et 90° (voir la figure 2) et un second axe projeté dans le plan méridien (perpendicularité au premier) présentant un angle θ par rapport à l'axe moteur compris entre 30 et 90°. Le choix des angles optimaux ϕ et θ est effectué notamment en fonction de la charge aérodynamique désirée (i.e au travail de compression de l'air fourni par le rotor) donnée par la relation suivante :
ψ = ΔH/V² avec ΔH l'augmentation d'enthalpie au passage du rotor et V la vitesse de rotation du compresseur.

[0015] Bien entendu, cette configuration cylindrique des trous de prélèvement et cette disposition linéaire sur une seule rangée ne sauraient être limitatives. La figure 3 montre par exemple une disposition de ces trous de prélèvement selon deux rangées, les trous étant disposés en quinconce dans la limite définie précédemment de 5 à 50% de la longueur de corde de l'aube. Sur la figure 4, ces trous de prélèvement ont une forme non circulaire, carré ou oblong par exemple.

[0016] On peut aussi envisager des trous de prélèvement en forme de fente axisymétrique. Avec ces exemples de réalisation de la présente invention, l'air qui se faufile classiquement par le jeu e au-dessus des extrémités 20 des aubes mobiles du fait de la différence de pression existant entre les faces intrados et extrados de ces aubes, est en partie aspiré par les trous de prélèvement 24. La diminution de ce flux parasite entre les deux faces d'une même aube a pour effet immédiat d'augmenter la stabilité et les performances du compresseur. En outre, l'air prélevé peut rejoindre, éventuellement via un système de tôles protectrices (non représentées), les collecteurs de prélèvement existants de la turbomachine pour une utilisation moteur ou autre, par exemple avionique.

[0017] Ainsi, l'amélioration obtenue par ce dispositif de prélèvement est particulièrement importante et procure une augmentation notable du rendement de l'aube et de la plage de fonctionnement du compresseur comme l'illustrent la figure 5, qui montre la variation du taux de compression en fonction du rendement du compresseur pour un compresseur de l'art antérieur (courbe 30) et pour compresseur muni du dispositif selon l'invention (courbe 32) et la figure 6 qui montre la variation du taux de compression en fonction du débit d'entrée du compresseur pour un compresseur de l'art antérieur (courbe 40) et pour un compresseur muni du dispositif selon l'invention (courbe 42).

[0018] L'efficacité du dispositif peut encore être amélioré en orientant l'air directement vers les trous de prélèvement comme l'illustre les figures 7 et 8 qui montrent l'adjonction de lamelles obliques 50 disposées sur le carter fixe au droit de la pluralité d'aubes mobiles de part et d'autre de chaque trou de prélèvement 24. Ces lamelles usinées directement dans le carter ou rapportées à celui-ci sont orientées selon le même angle ϕ par rapport à l'axe moteur 12 que les trous de prélèvement.

[0019] On notera que cette configuration comme les précédentes peuvent être implantées sur un carter 14 comprenant un retrait au droit de l'aube (appellé trench 52) comme le montre la figure 9, ou encore comprenant un rainurage 54 au droit de l'aube (appellé traitement de carter) comme le montrent les figures 10 et 11. On notera que sur la figure 10, le rainurage est répartie autour du trou de prélèvement 24 alors que, sur la figure 11, le trou de prélèvement débouche en fond de rainurage.

[0020] Bien entendu, si la description ci-dessus a été faite essentiellement en référence à un compresseur axial haute pression, le dispositif de l'invention peut trouver application aussi au niveau d'un ou plusieurs étages transsoniques d'un compresseur haute pression ou sur un compresseur basse pression. De même, la présente invention ne saurait être limitée à la structure de fixation et d'entrainement des aubes mobiles représentée sur la figure 1 et une structure mettant en oeuvre des attaches dites brochées ou marteau est tout aussi envisageable.

Revendications

1. Compresseur de turbomachine comportant au moins une pluralité d'aubes mobiles (16) et, espacée dans une direction axiale par rapport à un axe central longitudinal de la turbomachine (12), une pluralité d'aubes fixes (18), un carter fixe (14) enveloppant ladite pluralité d'aubes mobiles, caractérisé en ce que ledit carter fixe comporte une pluralité de trous de prélèvement (24) centrés entre 5 et 50% de la longueur de corde de l'aube et d'un diamètre inférieur ou égal à 30% de ladite longueur de corde de l'aube, chacun desdits trous de prélèvement présentant une double inclinaison par rapport audit axe central longitudinal.

2. Compresseur de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits trous de prélèvement comportent chacun un premier axe d'inclinaison présentant un angle ϕ par rapport à l'axe central longitudinal compris entre 30 et 90° et un second axe d'inclinaison perpendiculaire au premier et présentant un angle θ par rapport à l'axe central longitudinal compris entre 30 et 90°.

3. Compresseur de turbomachine selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport entre le débit d'air global de la turbomachine et le débit d'air prélevé est compris entre 0,1 et 5 %.

4. Compresseur de turbomachine selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit carter fixe comporte en outre des lamelles obliques (50) disposées au droit de ladite pluralité d'aubes mobiles de part et d'autre de chaque trou de prélèvement et orientées selon ledit angle ϕ.

5. Compresseur de turbomachine selon l'une quelconque de revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit carter fixe comporte en outre un rainurage (54) disposé autour de de chaque trou de prélèvement.

6. Compresseur de turbomachine selon l'une quelconque de revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits trous de prélèvement sont disposés en quinconce.

7. Compresseur de turbomachine selon l'une quelconque de revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits trous de prélèvement sont non circulaires.

8. Compresseur de turbomachine selon l'une quelconque de revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits trous de prélèvement sont formés de fentes axisymétriques.

9. Turbomachine comportant un compresseur axial haute pression selon l'une quelconque de revendications 1 à 8.

Ansprüche

1. Turbomaschinenverdichter, umfassend wenigstens eine Vielzahl von Laufschaufeln (16) und, in einer axialen Richtung gegenüber einer Längsmittelachse der Turbomaschine (12) beabstandet, eine Vielzahl von Leitschaufeln (18), ein festes Gehäuse (14), das die Vielzahl von Laufschaufeln umhüllt, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Gehäuse eine Vielzahl von Entnahmelöchern (24) umfasst, die zwischen 5 und 50 % der Sehnenlänge der Schaufel angeordnet sind und einen Durchmesser kleiner oder gleich 30 % der Sehnenlänge der Schaufel aufweisen, wobei ein jedes der Entnahmelöcher eine zweifache Neigung gegenüber der Längsmittelachse aufweist.

2. Turbomaschinenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmelöcher jeweils eine erste Neigungsachse, die einen Winkel ϕ gegenüber der Längsmittelachse zwischen 30 und 90°aufweist, sowie eine zweite Neigungsachse, die zu der ersten senkrecht ist und einen Winkel θ gegenüber der Längsmittelachse zwischen 30 und 90°aufweist, umfassen.

3. Turbomaschinenverdichter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Gesamtluftmenge der Turbomaschine und der entnommenen Luftmenge im Bereich zwischen 0,1 und 5 % liegt.

4. Turbomaschinenverdichter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Gehäuse ferner Schräglamellen (50) umfasst, die gegenüber der Vielzahl von Laufschaufeln auf beiden Seiten eines jeden Entnahmelochs angeordnet und in dem Winkel ϕ ausgerichtet sind.

5. Turbomaschinenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Gehäuse ferner eine Riefelung (54), die um jedes Entnahmeloch herum angeordnet ist, umfasst.

6. Turbomaschinenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmelöcher versetzt angeordnet sind.

7. Turbomaschinenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmelöcher unrund sind.

8. Turbomaschinenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmelöcher von achsensymmetrischen Schlitzen gebildet sind.

9. Turbomaschine, die einen Hochdruckaxialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.

Claims

1. A turbomachine compressor comprising at least one plurality of moving blades (16) and, spaced apart therefrom in an axial direction relative to a central longitudinal axis of the turbomachine (12), a plurality of stationary vanes (18), and a stationary casing (14) surrounding said plurality of moving blades, characterized in that said stationary casing includes a plurality of bleed holes (24) centered in the range 5% to 50% of the blade chord length and of a diameter less than or equal to 30% of said blade chord length, each of said bleed holes sloping at two angles relative to said longitudinal central axis.

2. A turbomachine compressor according to claim 1, characterized in that each of said bleed holes has a first axis of inclination presenting an angle ϕ relative to the central longitudinal axis lying in the range 30 to 90 °, and a second axis of inclination perpendicular to the first and presenting an angle θ relative to the central longitudinal axis lying in the range 30° to 90°.

3. A turbomachine compressor according to claim 1 or claim 2, characterized in that the ratio between the total air flow rate through the turbomachine and the bled-off air flow rate lies in the range 0.1% to 5%.

4. A turbomachine compressor according to claim 1 or claim 2, characterized in that said stationary casing further includes oblique tongues (50) disposed in register with said plurality of moving blades on either side of each bleed hole and oriented at said angle ϕ.

5. A turbomachine compressor according to any one of claims 1 to 4, characterized in that said stationary casing further includes grooving (54) disposed around each bleed hole.

6. A turbomachine compressor according to any one of claims 1 to 5, characterized in that said bleed holes are disposed in a staggered configuration.

7. A turbomachine compressor according to any one of claims 1 to 5, characterized in that said bleed holes are non-circular.

8. A turbomachine compressor according to any one of claims 1 to 5, characterized in that said bleed holes are formed by axially-symmetrical slots.

9. A turbomachine including a high pressure axial compressor according to any one of claims 1 to 8.

Dessins