BE1025470B1

BE1025470B1 - Systeme d'aubes a calage variable de compresseur pour turbomachine

Info

Publication number: BE1025470B1
Application number: BE2017/5557A
Authority: BE
Inventors: Rafael Perez
Original assignee: Safran Aero Boosters S.A.
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2019-03-18
Also published as: EP3444444B1; CN109386314A; BE1025470A1; US10837307B2; US20190048738A1; EP3444444A1

Abstract

L'invention se rapporte à un système d'aubes à orientations réglables (26), également appelé système d'aubes à calage variable, pour un compresseur basse-pression de turbomachine axiale. Le système comprend des aubes (26), chacune avec une pale s'étendant radialement dans un flux (18) de la turbomachine et un tourillon (30) avec une portion cylindrique (45) reliée à un levier de commande télescopique (32). La portion cylindrique (45) comprend une fente (44) s'étendant radialement; et le levier de commande (32) comprend une liaison pivot (46) logée dans la fente (44) qui est configurée pour communiquer un mouvement de rotation à l'aube (26) par rapport à son tourillon (30). L'invention propose également un compresseur et une turbomachine.

Description

L'invention concerne une aube de turbomachine dont l'orientation est pilotée par levier de commande télescopique. L'invention a également trait à une turbomachine axiale, notamment un turboréacteur d'avion ou un turbopropulseur d'aéronef.

Technique antérieure

Un compresseur à géométrie variable présente une marge au pompage étroite. Y prévoir un système d'aubes à calage variable, ou aubes orientables, permet d'étendre cette marge, et ce pour plusieurs régimes. Ceci offre davantage de sécurité et permet au compresseur de travailler de manière optimale. De tels compresseurs, dans le contexte d'une turbomachine axiale, comprennent communément des tourillons orientés radialement qui permettent aux aubes orientables de pivoter sur elles-mêmes.

Des leviers de commande reliés aux tourillons restent nécessaires pour communiquer les mouvements de changement d'orientation à chaque aube. Dans le cas où ces leviers sont liés à une bague de synchronisation fixe axialement, les leviers doivent s'adapter géométriquement. En effets de tels leviers doivent également s'allonger puisque les tourillons sont également fixes axialement.

Le document US 4,978,280 A divulgue un système d'aubes à calage variable de compresseur pour turboréacteur d'aéronef. Dans ce système, les aubes comportent des tourillons guidant les mouvements de pivotement des aubes, autorisant ainsi des modifications de calages pilotés. Les tourillons sont coiffés de platines dans lesquelles sont fixés des leviers de commande, qui euxmêmes sont reliés à une bague de synchronisation. Ces leviers sont télescopiques de sorte à pouvoir s'allonger lors de l'actionnement de la bague de synchronisation. Or, la fiabilité de ce système est limitée. Par ailleurs, cet ensemble est radialement encombrant.

Résumé de l'invention

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Problème technique

L'invention a pour objectif de résoudre au moins un des problèmes posés par l'art antérieur. Plus précisément, l'invention a pour objectif d'améliorer la compacité radiale d'un système d'aubes à calage variable. L'invention a également pour objectif de proposer une solution simple, résistante, légère, économique, fiable, facile à produire, commode d'entretien, d'inspection aisée, et améliorant le rendement.

Solution technique

L'invention a pour objet un système d'aubes à orientation réglable de turbomachine axiale, notamment de compresseur axial de turbomachine, le système comprenant : un levier de commande télescopique ; et une aube avec une pale destinée à s'étendre radialement dans un flux de la turbomachine et un tourillon comportant une portion cylindrique ; remarquable en ce que la portion cylindrique comprend une fente s'étendant radialement; et le levier de commande télescopique comprend une liaison pivot logée dans la fente qui est configurée pour communiquer un mouvement de rotation à l'aube autour de son tourillon.

Selon des modes avantageux de l'invention, le système peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniques possibles :

- La fente comprend des surfaces internes en contact de la liaison pivot du levier.

- La fente traverse diamétralement la portion cylindrique.

- Le levier de commande télescopique comprend une portion de moindre épaisseur traversée par la liaison pivot.

- La portion de moindre épaisseur est disposée dans la fente.

- Le levier de commande télescopique comprend un fourreau et une coulisse glissant à l'intérieur du fourreau, la liaison pivot étant solidaire dudit fourreau.

- Le fourreau comprend une cavité dans laquelle glisse la coulisse, la cavité étant à distance de la fente et de la liaison pivot.

- La cavité est à distance axialement de la portion cylindrique.

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BE2017/5557 - La pale présente une épaisseur moyenne qui est supérieure à la largeur de la fente.

- Le tourillon comprend une extrémité radiale, la liaison pivot étant disposée radialement entre la pale et ladite extrémité radiale.

- La liaison pivot est inscrite dans le périmètre de la portion cylindrique.

- La liaison pivot comporte un axe de pivotement, le tourillon présente un axe de rotation coupant l'axe de pivotement en un point d'intersection, lesdits axes étant optionnellement perpendiculaires.

- Le tourillon présente un diamètre constant sur la majorité de sa hauteur, et/ou au niveau radialement de la fente.

- Le levier de commande télescopique comprend des surfaces latérales opposées qui sont en contact de la fente.

- Le levier de commande télescopique est intégré radialement dans la hauteur du tourillon, et éventuellement de la fente.

- Le système comprend une bague de synchronisation qui est fixe axialement par rapport au tourillon.

- Le système est configuré de sorte à ce que l'aube puisse pivoter sur ellemême d'un angle supérieur ou égal à 30°.

- Le système est configuré de sorte à ce que l'aube puisse tourner sur elle-même d'un angle supérieur ou égal à : 10°, ou 20°, ou 35°.

- La fente présente une hauteur radiale, une longueur, et une largeur inférieure à la longueur.

- La largeur de la liaison pivot et/ou de la fente est/sont mesurée(s) le long de l'axe de pivotement de la liaison pivot.

- Le point d'intersection est disposé dans le tourillon, notamment dans la portion cylindrique.

- La fente est dans le prolongement radial de la pale.

- La largeur de la liaison pivot est inférieure au diamètre du tourillon.

- Le système comprend un carter avec un orifice traversé par le tourillon.

- La fente comporte, éventuellement est constituée de, trois côtés ouverts et un côté fermé.

- La largeur de la fente est ajustée à la largeur du levier de manière à ce que le levier puisse transmettre un couple au tourillon.

- La pale et la portion cylindrique forment un ensemble venu de matière.

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L'invention a également pour objet un compresseur,

Compresseur comprenant un système d'aubes à orientations réglables, remarquable en que le système est conforme à l'invention, préférentiellement le compresseur est un compresseur basse-pression.

Selon un mode avantageux de l'invention, au sein d'une même rangée, les aubes et les leviers sont identiques.

Selon un mode avantageux de l'invention, le système comprend une ou plusieurs rangées annulaires d'aubes à orientations réglables.

L'invention a également pour objet une turbomachine, notamment un turboréacteur d'aéronef, comprenant un système d'aubes à orientations réglables, remarquable en ce que le système est conforme à l'invention, préférentiellement, la turbomachine comprend un compresseur conforme à l'invention.

De manière générale, les modes avantageux de chaque objet de l'invention sont également applicables aux autres objets de l'invention. Chaque objet de l'invention est combinable aux autres objets, et les objets de l'invention sont également combinables aux modes de réalisation de la description, qui en plus sont combinables entre eux, selon toutes les combinaisons techniques possibles, à moins que le contraire soit explicitement précisé.

Avantages apportés

L'invention permet de loger le levier dans le tourillon, mais également de placer les moyens de fixation levier/tourillon dans l'emprise de ce dernier. Ainsi, l'espace autour des tourillons et des leviers reste libre, et ne confine pas d'espaces inoccupés. L'espace autour du carter support est utilisé de manière optimale.

L'intégration de la liaison pivot dans la hauteur radiale du tourillon permet d'abaisser le levier. Celui-ci se rapproche radialement du carter support. Il devient plus facile d'intégrer un système de dégivrage, notamment avec des conduites d'adduction de fluide chaud, au niveau des leviers.

La transmission de couple peut à la fois s'effectuer au moyen de la tige

Brève description des dessins

La figure 1 représente une turbomachine axiale selon l'invention.

La figure 2 est un schéma d'un compresseur de turbomachine selon l'invention.

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BE2017/5557 La figure 3 illustre un système d'aube à orientation réglable selon l'invention.

La figure 4 présente une vue axiale du système d'aube à orientation réglable selon l'invention.

La figure 5 est une vue du dessus du système d'aube à orientation réglable selon l'invention.

Description des modes de réalisation

Dans la description qui va suivre, les termes « interne » et « externe » renvoient à un positionnement par rapport à l'axe de rotation d'une turbomachine axiale. La direction axiale correspond à la direction le long de l'axe de rotation de la turbomachine. La direction radiale est perpendiculaire à l'axe de rotation. L'amont et l'aval sont en référence au sens d'écoulement principal du flux dans la turbomachine.

La figure 1 représente de manière simplifiée une turbomachine axiale. Il s'agit dans ce cas précis d'un turboréacteur double-flux. Le turboréacteur 2 comprend un premier niveau de compression, dit compresseur basse-pression 4, un deuxième niveau de compression, dit compresseur haute-pression 6, une chambre de combustion 8 et un ou plusieurs niveaux de turbines 10. En fonctionnement, la puissance mécanique de la turbine 10 transmise via l'arbre central jusqu'au rotor 12 met en mouvement les deux compresseurs 4 et 6. Ces derniers comportent plusieurs rangées d'aubes de rotor associées à des rangées d'aubes de stator. La rotation du rotor autour de son axe de rotation 14 permet ainsi de générer un débit d'air et de comprimer progressivement ce dernier jusqu'à l'entrée de la chambre de combustion 8.

Un ventilateur d'entrée communément désigné fan ou soufflante 16 est couplé au rotor 12 et génère un flux d'air qui se divise en un flux primaire 18 traversant les différents niveaux susmentionnés de la turbomachine, et en un flux secondaire 20 traversant un conduit annulaire (partiellement représenté) le long de la machine pour ensuite rejoindre le flux primaire en sortie de turbine.

Des moyens de démultiplication, tel un réducteur épicycloïdal, peuvent réduire la vitesse de rotation de la soufflante et/ou du compresseur basse-pression par rapport à la turbine associée. Le flux secondaire peut être accéléré de sorte à générer une réaction de poussée nécessaire au vol d'un avion. Les flux

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BE2017/5557 primaire 18 et secondaire 20 sont des flux annulaires coaxiaux et emmanchés l'un dans l'autre.

La figure 2 est une vue en coupe d'un compresseur d'une turbomachine axiale telle que celle de la figure 1. Le compresseur peut être un compresseur bassepression 4, également appelé booster. Le rotor 12 comprend plusieurs rangées d'aubes rotoriques 24, en l'occurrence trois. Il peut être un tambour monobloc aubagé, et/ou comprendre des aubes à fixation par queue d'aronde.

Le compresseur basse pression 4 comprend plusieurs redresseurs, en l'occurrence quatre, qui contiennent chacun une rangée d'aubes statoriques 26. Les redresseurs sont associés au fan 16 ou à une rangée d'aubes rotoriques pour redresser le flux d'air, de sorte à convertir la vitesse du flux en pression, notamment en pression statique.

Les aubes statoriques 26 s'étendent essentiellement radialement depuis un carter extérieur 28 formant un support, et peuvent y être articulées à l'aide de tourillons 30 traversant des ouvertures ménagées dans le carter 28. La combinaison d'une ouverture et du tourillon 30 qu'elle reçoit forme une liaison mécanique tournante qui permet de moduler l'orientation de l'aube 26. Une telle aube est communément désignée aube VSV dont l'acronyme correspond à l'expression anglo-saxonne « Variable Stator Vane ».

Dès lors, la pale de l'aube 26 peut s'étendre plus ou moins au travers du flux primaire 18. La circonférence de la veine primaire qu'occupe la pale peut être réglée en adaptant l'orientation de l'aube 26, c'est à dire en modifiant l'inclinaison entre la corde moyenne de l'aube 26 et l'axe de rotation 14 de la turbomachine.

Afin de transmettre un mouvement cohérent de commande aux aubes orientables 26, des leviers de commande 32 sont reliés à une bague de synchronisation 34 et aux tourillons 30 aux autres extrémités. Les bagues de synchronisation 34 entourent l'axe de rotation 14, et ceinturent le carter externe 28. Ces bagues 34 sont pilotées par des actionneurs 36 branchés à une unité de commande 38 calculant la meilleure orientation pour les aubes en fonction des conditions de fonctionnement, dont la vitesse de rotation du rotor 12.

Les extrémités internes des aubes statoriques 26 peuvent être reliées de manière tournante à des viroles internes adaptées à la rotation des aubes statoriques 26. Le compresseur peut être mixte car il peut contenir une ou

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BE2017/5557 plusieurs rangées d'aubes à orientation réglable, et une ou plusieurs rangées d'aubes de stator à orientation fixe 27, ou orientation unique, par rapport à l'axe de rotation 14.

La figure 3 esquisse un système d'aubes à orientation variable, ou aubes orientables 26. Le système peut être similaire à celui introduit en relation avec la figure 2. On retrouve le carter 28, l'aube statorique orientable 26, le carter 28, le tourillon 30, le levier de commande 32 et une bague de synchronisation 34. L'aube orientable 26 présente une pale s'étendant au travers du flux primaire 18. La pale est prolongée radialement par les tourillons 30. Des disques, ou boutons, peuvent former les interfaces pale-tourillon. Cette pale présente un bord d'attaque BA, un bord de fuite BF, une surface intrados et une surface extrados qui s'étendent du bord d'attaque BA au bord de fuite BF. Ces surfaces peuvent être concave et convexe respectivement. Elles peuvent définir des profils aérodynamiques adaptés pour dévier le flux 18 tout en réduisant les décollements. La bague 34 peut être fixe axialement par rapport au carter 28, ce qui simplifie l'intégration de son l'actionneur.

Puisque la rotation de l'aube orientable 26 entraîne un allongement du levier 32, ce dernier est rendu télescopique. Le levier télescopique 32 peut comprendre un fourreau 40 avec une cavité 41 recevant une coulisse 42. La coulisse 42 peut former une tige glissant dans et en dehors du fourreau 40. Par exemple, la coulisse 42 est liée par une liaison rotule à la bague 34 tandis que le fourreau est attaché au tourillon 30.

Le tourillon 30 présente une fente 44, ou une encoche, notamment formée dans une portion cylindrique 45 du tourillon 30. Cette fente 44 forme un dégagement central dans le tourillon 30. Ce dernier peut former une fourche. La fente 44 est intégrée dans la hauteur et la largeur du tourillon 30. Elle peut traverser le tourillon 30 suivant son diamètre, par exemple d'amont en aval. La fente 44 s'étend radialement, soit le long du tourillon 30.

Le diamètre de la portion cylindrique 45, également appelée portée cylindrique, peut être égal à celui du tronçon de tourillon 30 qui traverse le carter 28. Cette configuration offre un maximum de matière tout en autorisant l'insertion du tourillon par l'intérieur du carter 28. Ici, la résistance est optimisée tout en obéissant à une contrainte d'assemblage.

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Une liaison pivot 46 permet de relier le levier 32 au tourillon. Cela supprime les contraintes de flexion en cas d'actionnement du levier. La liaison pivot 46 est disposée dans la fente 44. En particulier, elle peut être totalement logée dans le corps du tourillon 30, et donc de la portion cylindrique 45.

La hauteur radiale de la fente 44 peut être supérieure à la hauteur radiale du levier 32. Le fond interne de la fente 44 et/ou la face interne du levier peuvent être à distance radialement de la surface externe du carter 28.

Le levier 32 peut comprendre une portion de moindre épaisseur 48 attachée au tourillon 30 par la liaison pivot 46. Cette portion de moindre épaisseur 48 peut être insérée dans la fente 44. La portion 48 peut former une patte de liaison, et/ou un amincissement. Une tige traversant la portion 48 et le tourillon 30 peut former la liaison pivot 46.

La figure 4 représente le système d'aube à orientation réglable tel que celui présenté en relation avec les figures 2 et 3. Le système est présenté de face, selon la direction axiale, et/ou dans une vue orientée selon l'axe de coulissement du levier 32 qui est partiellement masqué par le tourillon 30, mais dont la portion de moindre épaisseur 48 est apparente dans la fente 44. Seul un tronçon radial de la pale 50 de l'aube 26 est visible.

L'épaisseur de la portion de moindre épaisseur 48 est inférieure ou égale au rayon de la portion cylindrique 45 du tourillon 30, ou inférieure à la moitié dudit rayon. Cela préserve la rigidité du tourillon 30, et augmente le contact avec la portion de moindre épaisseur 48 par qui est transmis le couple d'actionnement de l'aube 26.

Le tourillon 30 présente un axe de rotation 52 autour duquel l'aube 26 est articulée. Cet axe 52 peut couper l'axe de pivotement 54 de la liaison pivot 46. Puisque ces axes (52 ; 54) se touchent en un point d'intersection 55, ils définissent un plan. Par ailleurs, ils peuvent être orthogonaux. Cet agencement améliore encore la compacité en même temps qu'une réduction des efforts d'actionnement.

La figure 5 montre en vue du dessus le système d'aube à orientation réglable tel que celui présenté en relation avec les figures 2 à 4.

Le fourreau 40 est à distance du tourillon 30. Ceux-là peuvent être séparés par un tronçon de la portion de moindre épaisseur 48. La portion de moindre épaisseur 48 peut présenter des surfaces opposées 56. Elles peuvent être

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BE2017/5557 perpendiculaires à l'axe de pivotement 54. En face, la fente 44 peut présenter des surfaces internes 58. Ces dernières viennent chacune en contact d'une des surfaces opposées 56, ce qui permet une transmission d'efforts ; et donc de provoquer un changement de direction de l'aube 26. Le couple transmis peut 5 augmenter. La transmission de couple peut à la fois s'effectuer au moyen de la tige traversant la portion 48, et par les surfaces (56 ; 58) deux à deux en contact.

Le tourillon 30 peut présenter un diamètre constant sur la majorité de sa hauteur, et/ou sur son tronçon en dehors du carter, et/ou sur toute sa hauteur.

Cela peut correspondre à la portion cylindrique 45.

Bien qu'une seule aube à tourillon et qu'un seul levier ne soient représentés, le présent enseignement peut s'appliquer à toute une rangée annulaire d'aubes à tourillons, chacune reliées à un levier de commande. Les aubes et les leviers de la rangée peuvent être identiques. Chaque ou plusieurs rangées d'aubes à 15 tourillons et à leviers peuvent être tels que décrits ci-dessus.

Claims

BE2017/5557 Revendications

1. Système d'aubes à orientation réglable (26) de turbomachine axiale (2), notamment de compresseur axial (4 ; 6) de turbomachine, le système comprenant :

un levier de commande télescopique (32) ; et une aube (26) avec une pale (50) destinée à s'étendre radialement dans un flux (18) de la turbomachine (2) et un tourillon (30) comportant une portion cylindrique (45) ; caractérisé en ce que la portion cylindrique (45) comprend une fente (44) s'étendant radialement;

et le levier de commande télescopique (32) comprend une liaison pivot (46) logée dans la fente (44) qui est configurée pour communiquer un mouvement de rotation à l'aube (26) autour de son tourillon (30).
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fente (44) comprend des surfaces internes (58) en contact de la liaison pivot (46) du levier (32).
3. Système selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la fente (44) traverse diamétralement la portion cylindrique (45).
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le levier de commande télescopique (32) comprend une portion de moindre épaisseur (48) traversée par la liaison pivot (46).
5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la portion de moindre épaisseur (48) est disposée dans la fente (44).
6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le levier de commande télescopique (32) comprend un fourreau (40) et une coulisse (42) glissant à l'intérieur du fourreau (40), la liaison pivot (46) étant solidaire dudit fourreau (40).

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7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le fourreau (40) comprend une cavité (41) dans laquelle glisse la coulisse (42), la cavité (41) étant à distance de la fente (44) et de la liaison pivot (46).
8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la cavité (41) est à distance axialement de la portion cylindrique (45).
9. Système selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pale (50) présente une épaisseur moyenne qui est supérieure à la largeur de la fente (44).
10. Système selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le tourillon (30) comprend une extrémité radiale, la liaison pivot (46) étant disposée radialement entre la pale (50) et ladite extrémité radiale.
11. Système selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la liaison pivot (46) est inscrite dans le périmètre de la portion cylindrique (45).
12. Système selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la liaison pivot (46) comporte un axe de pivotement (54), le tourillon (30) présente un axe de rotation (52) coupant l'axe de pivotement (54) en un point d'intersection (55), lesdits axes (52 ; 54) étant optionnellement perpendiculaires.
13. Système selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le tourillon (30) présente un diamètre constant sur la majorité de sa hauteur, et/ou au niveau radialement de la fente (44).
14. Système selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le levier de commande télescopique (32) comprend des surfaces latérales opposées (56) qui sont en contact de la fente (44).
15. Système selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le levier de commande télescopique (32) est intégré radialement dans la hauteur du tourillon (30), et éventuellement de la fente (44).

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16. Système selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend une bague de synchronisation (34) qui est fixe axialement par rapport au tourillon (30).
17. Système selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il est configuré de sorte à ce que l'aube (26) puisse pivoter sur elle-même d'un angle supérieur ou égal à 30°.
18. Compresseur (4 ; 6) comprenant un système d'aubes à orientations réglables (26), caractérisé en que le système est conforme à l'une des revendications 1 à 17, préférentiellement le compresseur est un compresseur basse-pression (4).
19. Compresseur (4 ; 6) selon la revendication 18, caractérisé en ce que le système comprend une ou plusieurs rangées annulaires d'aubes à orientations réglables (26).
20. Turbomachine (2), notamment un turboréacteur d'aéronef, comprenant un système d'aubes à orientations réglables (26), caractérisée en ce que le système est conforme à l'une des revendications 1 à 17, préférentiellement, la turbomachine (2) comprend un compresseur (4 ; 6) conforme à l'une des revendications 18 à 19.