AILETTE POUR DIFFUSEUR D'UN COMPRESSEUR RADIAL OU MIXTE

Description

DOMAINE DE L'INVENTION

[0001] L'invention concerne de manière générale les moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement une ailette d'un diffuseur pour un compresseur radial ou mixte, un étage de diffusion d'un compresseur radial ou mixte d'une turbine à gaz, ainsi qu'à un compresseur associé.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE

[0002] Un compresseur comprend un ou plusieurs disques tournants (rotor ou rouet), aubagés ou non et une ou plusieurs roues à aubes fixes (étages redresseurs).

[0003] Un compresseur radial (ou centrifuge) possède au moins un étage de compression radial, c'est-à-dire apte à réaliser un écoulement de gaz perpendiculaire à l'axe central du compresseur. Il comprend au moins un rouet à pales radiales qui aspirent l'air axialement, qui, sous l'effet de la force radial, est accéléré, comprimé et refoulé radialement. Cet air est ensuite redressé dans un diffuseur (aubage fixe) qui transforme une partie de sa vitesse en pression statique en ralentissant les gaz en sortie du rouet. L'opération doit se dérouler avec un minimum de perte de pression totale tout en maintenant un niveau de stabilité du compresseur satisfaisant afin de maintenir une marge au pompage acceptable pour le fonctionnement de la turbomachine.

[0004] Les gaz sont alors guidés vers la chambre de combustion.

[0005] Un compresseur mixte (ou hélico-radial) possède au moins un étage de compression incliné par rapport audit axe central, de sorte que le fluide sort du rouet du compresseur en faisant un angle non nul avec la direction radiale.

[0006] Un diffuseur d'un compresseur radial est composé d'une roue formée de deux flasques entre lesquelles s'écoulent les gaz de manière radiale ou inclinée à partir du centre vers la périphérie. Des ailettes sont réparties entre les flasques tout le long de la roue. Ces ailettes forment une grille d'écoulement entre les bords d'attaque de ces ailettes et les bords de fuite.

[0007] Cependant, la déviation du flux d'air en sortie du rouet par les ailettes du diffuseur peut provoquer un décollement du fluide sur l'intrados ou l'extrados des ailettes, lequel décollement, dès lors qu'il est important, peut conduire au décrochage du fluide et, par suite, au pompage. Il est connu que ce phénomène de pompage est néfaste pour les éléments constitutifs du compresseur, en sorte qu'on cherche à l'éviter dans la mesure du possible.

[0008] Habituellement, les ailettes du diffuseur sont construites à partir d'une paroi intrados et d'une paroi extrados en forme d'arc de cercle, et comprennent une loi d'angle quasi linéaire. Un exemple d'une telle ailette est illustré en figure 1. Cependant, ces ailettes présentent une limitation en termes de capacité diffusante. En effet, une augmentation de la diffusion par ces ailettes provoque une chute de rendement isentropique et un accroissement de l'instabilité du compresseur.

[0009] Il a été proposé dans le document WO 2012/019650 un diffuseur pour un compresseur radial comprenant des ailettes conformes au préambule de la revendication 1. En particulier, ce document décrit des ailettes dont le profil présente une ligne de cambrure définie par une fonction ayant un point d'inflexion. La ligne de cambrure présente à cet effet une forme de « S », et permet de distribuer les charges le long du profil de l'ailette, avec un faible chargement dans la zone du bord d'attaque, qui augmente progressivement jusqu'au point d'inflexion de l'ailette où il devient maximal. Cependant, la mise en oeuvre d'une ailette présentant un tel profilé en « S » nécessite de restreindre la section au col du diffuseur (c'est-à-dire la section d'entrée du fluide). Ceci a pour effet de décaler la caractéristique Débit/Taux vers de plus faibles débits, et réduit le débit de blocage aérodynamique du diffuseur.

[0010] Des ailettes de profilé similaire en forme de « S » ont également été décrites dans le document JP 2011-252424. En particulier, les ailettes de ce document sont configurées de sorte qu'un angle formé entre la ligne de courbure et le profilé circonférentiel augmente, puis diminue, puis augmente à nouveau entre le bord d'attaque et le bord de fuite de l'ailette. Ici encore, la section au col du diffuseur doit donc être restreinte, ce qui a pour effet réduire la stabilité du diffuseur.

RESUME DE L'INVENTION

[0011] Un objectif de l'invention est d'améliorer les performances et la marge au pompage des diffuseurs des compresseurs radiaux et mixtes de l'art antérieur.

[0012] En particulier, l'invention a pour objectif de proposer un diffuseur d'un compresseur radial ou mixte capable de limiter la chute du rendement isentropique du compresseur et d'améliorer la capacité à ralentir et à redresser l'écoulement délivré par le rouet du compresseur tout en maintenant la stabilité de cet écoulement.
Pour cela, l'invention propose une ailette d'un diffuseur pour un compresseur radial ou mixte d'un moteur, comprenant un bord d'attaque disposé en regard d'un écoulement de gaz, un bord de fuite opposé au bord d'attaque, d'une paroi latérale d'intrados et d'une paroi latérale d'extrados qui relient le bord d'attaque au bord de fuite. Le profil de l'ailette comprend une ligne de cambrure présentant au moins deux points d'inflexion entre le bord d'attaque et le bord de fuite. La courbure de la paroi d'intrados et la courbure de la paroi d'extrados suivent par ailleurs sensiblement la courbure de la ligne de cambrure, de sorte que :

• la paroi d'intrados comprend, entre le bord d'attaque et le bord de fuite, au moins deux parties convexes séparées par une partie concave, et
• la paroi d'extrados comprend, entre le bord d'attaque et le bord de fuite, au moins deux parties concaves séparées par une partie convexe, et le profil définit une corde qui s'étend entre le bord d'attaque et le bord de fuite, et les parties convexes de la paroi d'intrados et les parties concaves de la paroi d'extrados s'étendent au moins partiellement du même côté de ladite corde.

[0013] L'invention propose également un diffuseur comprenant au moins une ailette comme décrit ci-dessus, ainsi qu'un compresseur radial ou mixte comprenant un tel diffuseur, et un moteur comprenant un tel compresseur.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

[0014] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :

La figure 1 illustre un exemple de profil de pales d'un diffuseur conforme à l'art antérieur,

La figure 2 illustre un exemple de profil de pales d'un diffuseur conforme à l'invention,

La figure 3 est une vue en détail d'une pale de la figure 2, sur laquelle a été représentée une corde et une ligne médiane de la pale, et

La figure 4 illustre un exemple de moteur pouvant comprendre un diffuseur conforme à l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION

[0015] Un diffuseur radial selon la présente invention est notamment destiné à être utilisé avec un compresseur 2 de type radial ou mixte.

[0016] La figure 4 est une coupe partielle d'un moteur 1 comportant un compresseur radial 2. Un flux gazeux F est d'abord aspiré dans une manche d'entrée d'air, puis comprimé entre les pales 3a d'un rouet 3 du compresseur radial 2 et son carter. Le compresseur 2 est de symétrie axiale autour d'un axe X. Le flux gazeux F comprimé sort alors radialement du rouet 3. Si le compresseur 2 était mixte, le flux gazeux sortirait incliné selon un angle non nul par rapport à une direction radiale à l'axe X.

[0017] L'air comprimé sort radialement du rouet 3 tout en présentant un moment cinétique et passe dans un diffuseur 5. Le rôle du diffuseur 5 est de convertir une partie de l'énergie cinétique des gaz en provenance du compresseur 2 en pression statique en ralentissant la vitesse des gaz, et de redresser l'écoulement issu du rouet 3. Il comprend pour cela une pluralité d'ailettes 10 disposées selon sa circonférence, qui s'étendent entre un flasque avant 5a et un flasque arrière 5b. Chacune des ailettes 10 présente, de manière connue, un bord d'attaque 11 disposé en regard d'un écoulement de gaz, un bord de fuite 12 opposé au bord d'attaque 11, une paroi latérale d'extrados 13 et une paroi latérale d'intrados 14 qui relient le bord d'attaque 11 au bord de fuite 12.

[0018] Les flasques avant 5a et arrière 5b peuvent être plans. En variante, l'un au moins des flasques 5a, 5b peut comprendre, dans l'espace qu'ils définissent entre eux, au moins une zone à courbure alternée entre deux ailettes 10, de sorte que la veine d'air peut comprendre des méridiennes tête et pied évolutives. On pourra se référer au document FR 2 976 633 au nom de la Demanderesse pour plus de détail sur les flasques avant 5a et/ou arrière 5b présentant une telle courbure alternée.

[0019] Selon une autre variante encore, les flasques 5a, 5b peuvent être à formes évolutives axisymétriques.

[0020] Par ailleurs, les flasques avant 5a et arrière 5b peuvent être aménagés de manière à permettre l'aspiration et le soufflage dans le diffuseur 5.

[0021] Au moins l'une des ailettes 10 du diffuseur 5, de préférence l'ensemble des ailettes 10, comprend, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz :

• une première zone, dite de captation, dont la forme est configurée pour s'adapter à l'écoulement amont, et
• une deuxième zone, dite de diffusion, dont la forme est configurée pour redresser plus fortement l'écoulement en provenance de la zone de captation, afin d'obtenir une pression statique plus importante en sortie du diffuseur 5 et de faciliter l'alimentation de la pièce aval, généralement un diffuseur 5 axial.

[0022] L'ailette 10 comprend un profil dont la ligne de cambrure 15 présente au moins deux points d'inflexion I1, I2 entre son bord d'attaque 11 et son bord de fuite 12, c'est-à-dire au moins deux changements de concavité.

[0023] Dans ce qui suit, on comprendra par « point d'inflexion » un point d'une courbe au niveau duquel la courbe traverse sa tangente. Par ailleurs, par profil de l'ailette 10, on comprendra ici une section transversale de l'ailette 10, c'est-à-dire une section de l'ailette 10 selon un plan globalement perpendiculaire à l'extrados 13 et à l'intrados 14 de l'ailette 10. Enfin, la « ligne de cambrure 15 » du profil correspond à la ligne fictive qui comprend l'ensemble des points équidistants de l'extrados 13 et de l'intrados 14 de l'ailette 10, tandis que la « corde 16 » correspond au segment qui a pour extrémités le bord d'attaque 11 et le bord de fuite 12.

[0024] Les points d'inflexion I1, I2 délimitent ensemble la zone de captation, qui comprend la partie de l'ailette 10 s'étendant en amont du premier point d'inflexion I1, de la zone de diffusion, qui comprend la partie de l'ailette 10 qui s'étend en aval du deuxième point d'inflexion I2.

[0025] De préférence, afin d'optimiser la stabilité du diffuseur 5 et la pression statique en sortie du diffuseur 5, les points d'inflexion I1, I2 sont situés entre 10% et 90% de la corde 16, de préférence entre 30% et 70%. Par exemple, un premier I1 des points d'inflexion peut être situé entre 35% et 55% de la corde 16, tandis que le deuxième point d'inflexion I2 est situé entre 55% et 65% de la corde 16. Les points d'inflexion I1, I2 peuvent en particulier être disposés symétriquement par rapport au centre de la corde 16.

[0026] En variante, le profil de l'ailette 10 peut comprendre davantage de points d'inflexion I1, I2.

[0027] Ainsi, la ligne de cambrure 15 présente successivement au moins, entre le bord d'attaque 11 et le bord de fuite 12, une première concavité, une deuxième concavité différente de la première concavité, puis une troisième concavité. Lorsque les points d'inflexion I1, I2 sont symétriques par rapport au centre de la corde 16, la deuxième concavité est alors centrée dans l'ailette 10.

[0028] Selon l'invention la paroi d'intrados 14 et la paroi d'extrados 13 suivent sensiblement la courbure de la ligne de cambrure 15, et présentent donc autant de points d'inflexion I1, I2.

[0029] Comme illustré sur les figures 2 et 3, la paroi d'intrados 14 et la paroi d'extrados 13 comprennent donc deux points d'inflexion I1, I2. La paroi d'intrados 14 comprend une partie convexe 14a entre le bord d'attaque 11 et le premier point d'inflexion, puis une partie concave 14b entre les deux points d'inflexion I1, I2, puis une partie convexe 14c entre le deuxième point d'inflexion et le bord de fuite 12. La paroi d'extrados 13 quant à elle comprend une partie concave 13a entre le bord d'attaque 11 et le premier point d'inflexion, puis une partie convexe 13b entre les deux points d'inflexion I1, I2, puis une partie concave 13c entre le deuxième point d'inflexion et le bord de fuite 12.

[0030] Par ailleurs, la ligne de cambrure 15 s'étend entre la paroi d'intrados 14 et la corde 16. En d'autres termes, en tout point entre le bord d'attaque 11 et le bord de fuite 12, la ligne de cambrure 15 et la paroi d'intrados 14 s'étendent à distance de la corde 16. De plus, les zones concaves de la paroi d'extrados 13 traversent la corde 16, et se trouvent par conséquent au moins partiellement du même côté que la ligne de cambrure 15 de ladite corde 16.

[0031] Grâce à cette configuration, rendue possible par les deux points d'inflexion I1, I2 de la ligne de cambrure 15, le bord d'attaque 11 et le bord de fuite 12 sont orientés dans le même sens général par rapport à l'écoulement des gaz que celui rencontré habituellement dans les diffuseurs 5 conventionnels, ce qui permet de préserver la section au col, c'est-à-dire la section d'entrée du fluide entre deux ailettes 10 adjacentes. De la sorte, la stabilité du diffuseur 5 est conservée tout en améliorant la diffusion de l'écoulement.

[0032] L'angle d'attaque α (qui correspond à l'angle entre la tangente à la ligne de cambrure 15 au niveau du bord d'attaque 11 et la corde 16) peut être sensiblement identique à celui des ailettes 10 conventionnelles. Par exemple, l'angle d'attaque α peut être compris entre environ 0° et environ 45°. De la sorte, il est possible de conserver sensiblement la forme des ailettes 10 de diffuseurs 5 conventionnelles dans leur zone de captation, ce qui permet de préserver la stabilité de l'écoulement. De plus, la présence du deuxième point d'inflexion I2 permet de modifier la forme des ailettes 10 dans leur zone de diffusion pour augmenter le rendement du diffuseur 5, sans pour autant modifier la forme de la zone de captation. En effet, il est à présent possible d'augmenter l'angle entre la ligne de cambrure 15 au niveau du bord de fuite 12 et la corde 16, indépendamment de la forme de la zone de captation, ce qui permet de redresser plus fortement l'écoulement des gaz et donc d'augmenter la pression statique et le taux de pression totale à iso-échauffement en sortie du diffuseur 5, et donc d'améliorer le rendement isentropique du diffuseur 5 tout en maintenant la marge au pompage et donc la stabilité du compresseur 2.

[0033] Comme indiqué précédemment, la ligne de cambrure 15 du profil de l'ailette 10 comprend au moins deux points d'inflexion I1, I2. De préférence, le nombre de points d'inflexion I1, I2 peut être pair afin de conserver l'orientation générale du bord d'attaque 11 et du bord de fuite 12 par rapport à l'écoulement, et donc de préserver section au col. Par ailleurs, selon r l'invention, la ligne de cambrure 15 correspondante s'étend ici encore entre la paroi d'intrados 14 et la corde 16, de sorte que, en tout point entre le bord d'attaque 11 et le bord de fuite 12, la ligne de cambrure 15 et la paroi d'intrados 14 s'étendent à distance de la corde 16, et les zones concaves de la paroi d'extrados 13 traversent la corde 16.

Revendications

1. Ailette (10) d'un diffuseur (5) pour un compresseur (2) radial ou mixte d'un moteur (1), comprenant un bord d'attaque (11) disposé en regard d'un écoulement de gaz, un bord de fuite (12) opposé au bord d'attaque (11), une paroi latérale d'extrados (13) et une paroi latérale d'intrados (14) qui relient le bord d'attaque (11) au bord de fuite (12),
l'ailette (10) comprenant un profil dont une ligne de cambrure (15) présente au moins deux points d'inflexion (I1, I2) entre le bord d'attaque (11) et le bord de fuite (12),
l'ailette étant caractérisée en ce que la courbure de la paroi d'intrados (14) et la courbure de la paroi d'extrados (13) suivent sensiblement la courbure de la ligne de cambrure (15), de sorte que :

- la paroi d'intrados (14) comprend, entre le bord d'attaque (11) et le bord de fuite (12), au moins deux parties convexes (14a, 14c) séparées par une partie concave (14b), et

- la paroi d'extrados (13) comprend, entre le bord d'attaque (11) et le bord de fuite (12), au moins deux parties concaves (13a, 13c) séparées par une partie convexe (13b),

et en ce que le profil définit une corde (16) qui s'étend entre le bord d'attaque (11) et le bord de fuite (12), et les parties convexes (14a, 14c) de la paroi d'intrados (14) et les parties concaves (13a, 13c) de la paroi d'extrados (13) s'étendent au moins partiellement du même côté de ladite corde (16).

2. Ailette (10) selon la revendication 1, dans laquelle le profil définit une corde (16) qui s'étend entre le bord d'attaque (11) et le bord de fuite (12) et, en tout point entre le bord d'attaque (11) et le bord de fuite (12), ladite corde (16) est située à distance de la ligne de cambrure (15).

3. Ailette (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle le profil définit une corde (16) qui s'étend entre le bord d'attaque (11) et le bord de fuite (12), et les points d'inflexion (I1, I2) sont situés entre 10% et 90% de ladite corde (16).

4. Ailette (10) selon la revendication 3, dans laquelle un premier (I1) desdits points d'inflexion est situé entre 35% et 55% de la corde (16), et un deuxième (I2) desdits points d'inflexion est situé entre 55% et 65% de ladite corde (16).

5. Ailette (10) selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant un angle d'attaque (α) compris entre environ 0° et environ 45°.

6. Diffuseur (5) d'un compresseur radial ou mixte d'un moteur (1), comprenant au moins une ailette (10) selon l'une des revendications 1 à 5.

7. Compresseur (2) radial ou mixte d'un moteur (1), comprenant un diffuseur (5) selon la revendication 6.

8. Moteur (1), comprenant un compresseur (2) radial ou mixte selon la revendication 7.

Ansprüche

1. Flügel (10) eines Diffusors (5) für einen Radial- oder Mischkompressor (2) eines Motors (1), eine Eintrittskante (11) umfassend, die gegenüber einem Gasstrom angeordnet ist, eine Hinterkante (12), entgegengesetzt zur Eintrittskante (11), eine Saugseitenwand (13) und eine Druckseitenwand (14), welche die Eintrittskante (11) mit der Hinterkante (12) verbinden, wobei der Flügel (10) ein Profil umfasst, von dem eine Krümmungslinie (15) zumindest zwei Wendepunkte (I1, 12) zwischen der Eintrittskante (11) und der Hinterkante (12) aufweist,
wobei der Flügel dadurch gekennzeichnet ist, dass die Krümmung der Druckseitenwand (14) und die Krümmung der Saugseitenwand (13) im Wesentlichen der Krümmung der Krümmungslinie (15) folgen, sodass:

- die Druckseitenwand (14) zwischen der Eintrittskante (11) und der Hinterkante (12) zumindest zwei konvexe Abschnitte (14a, 14c) umfasst, die durch einen konkaven Abschnitt (14b) voneinander getrennt sind, und

- die Saugseitenwand (13) zwischen der Eintrittskante (11) und der Hinterkante (12) zumindest zwei konkave Abschnitte (13a, 13c) umfasst, die durch einen konvexen Abschnitt (13b) voneinander getrennt sind,

und dadurch, dass das Profil eine Sehne (16) definiert, die sich zwischen der Eintrittskante (11) und der Hinterkante (12) erstreckt, und sich die konvexen Abschnitte (14a, 14c) der Druckseitenwand (14) und die konkaven Abschnitte (13a, 13c) der Saugseitenwand (13) zumindest teilweise auf derselben Seite der besagten Sehne (16) erstrecken.

2. Flügel (10) nach Anspruch 1, wobei das Profil eine Sehne (16) definiert, die sich zwischen der Eintrittskante (11) und der Hinterkante (12) erstreckt, und sich die besagte Sehne (16) an jedem Punkt zwischen der Eintrittskante (11) und der Hinterkante (12) auf Abstand zur Krümmungslinie (15) befindet.

3. Flügel (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Profil eine Sehne (16) definiert, die sich zwischen der Eintrittskante (11) und der Hinterkante (12) erstreckt, und sich die Wendepunkte (I1, 12) zwischen 10% und 90% von der besagten Sehne (16) befinden.

4. Flügel (10) nach Anspruch 3, wobei sich ein erster (I1) der besagten Wendepunkte zwischen 35% und 55% von der Sehne (16), und ein zweiter (12) der besagten Wendepunkte zwischen 55% und 65% von der besagten Sehne (16) befindet.

5. Flügel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, einen Eintrittswinkel (α) umfassend, der zwischen etwa 0° und etwa 45° enthalten ist.

6. Diffusor (5) eines Radial- oder Mischkompressors eines Motors (1), zumindest einen Flügel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfassend.

7. Radial- oder Mischkompressor (2) eines Motors (1), einen Diffusor (5) nach Anspruch 6 umfassend.

8. Motor (1), einen Radial- oder Mischkompressor (2) nach Anspruch 7 umfassend.

Claims

1. A vane (10) of a diffuser (5) for a radial or mixed-flow compressor (2) of an engine (1), including a leading edge (11) positioned facing a gas flow, a trailing edge (12) opposite to the leading edge (11), an extrados side wall (13) and an intrados side wall (14) which connect the leading edge (11) to the trailing edge (12),
the vane (10) including a profile having a camber line (15) with at least two inflection points (I1, I2) between the leading edge (11) and the trailing edge (12),
the vane being characterized in that the curve of the intrados wall (14) and the curve of the extrados wall (13) substantially follow the curve of the camber line (15), so that:

- the intrados wall (14) includes, between the leading edge (11) and the trailing edge (12), at least two convex parts (14a, 14c) separated by a concave part (14b), and

- the extrados wall (13) includes, between the leading edge (11) and the trailing edge (12), at least two concave parts (13a, 13c) separated by a convex part (13b),

and in that the profile defines a chord (16) which extends between the leading edge (11) and the trailing edge (12), and the convex parts (14a, 14c) of the intrados wall (14) and the concave parts (13a, 13c) of the extrados wall (13) extend at least partially on the same side of said chord (16).

2. The vane (10) according to claim 1, wherein the profile defines a chord (16) which extends between the leading edge (11) and the trailing edge (12) and, at every point between the leading edge (11) and the trailing edge (12), said chord (16) is located remotely from the camber line (15).

3. The vane (10) according to one of claims 1 or 2, wherein the profile defines a chord (16) which extends between the leading edge (11) and the trailing edge (12), and the inflection points (I1, I2) are located between 10% and 90% of said chord (16).

4. The vane (10) according to claim 3, wherein a first (I1) of said inflection points is located between 35% and 55% of the chord (16), and a second (I2) of said inflection point is located between 55% and 65% of said chord (16).

5. The vane (10) according to one of claims 1 to 4, including an angle of attack (α) comprised between about 0° and about 45°.

6. A diffuser (5) of a radial or mixed-flow compressor of an engine (1) including at least one vane (10) according to one of claims 1 to 5.

7. A radial or mixed-flow compressor (2) of an engine (1), including a diffuser (5) according to claim 6.

8. An engine (1), including a radial or mixed-flow compressor (2) according to claim 7.

Dessins