EP0719906B1 - Distributeur supersonique d'étage d'entrée de turbomachine - Google Patents

Distributeur supersonique d'étage d'entrée de turbomachine Download PDF

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EP0719906B1
EP0719906B1 EP95402940A EP95402940A EP0719906B1 EP 0719906 B1 EP0719906 B1 EP 0719906B1 EP 95402940 A EP95402940 A EP 95402940A EP 95402940 A EP95402940 A EP 95402940A EP 0719906 B1 EP0719906 B1 EP 0719906B1
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EP
European Patent Office
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blades
distributor
distributor according
radius
profile
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EP95402940A
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German (de)
English (en)
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EP0719906A1 (fr
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Frédéric Pommel
Andréas von Kaenel
Jacques Desclaux
Georges Meauze
Gilles M. Billonnet
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
SNECMA SAS
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/041—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector using blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/302—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor characteristics related to shock waves, transonic or supersonic flow

Definitions

  • the construction of the profile of the blades in the radial direction is carried out by stacking while respecting a homothety of the profile substantially equal to the ratio of the radius considered to the mean radius of the vein.
  • the distributor outlet angle is adjusted by a twisting of the blades between the foot and the head.
  • the ratio between the section of the nozzle neck and the outlet section is chosen at each radius according to the desired pressure ratio so as to comply with a law of radial balance.
  • the trailing edge of each blade represents from 4 to 8% of the pitch defined between the successive blades.
  • the blades have an evolving profile according to the radius and free of parts angular, with the exception of trailing edges and leading edges which may be advantageously truncated.
  • the blades are manufactured separately and attached to the hub.
  • the blades are anchored in the hub and the outer casing by parts in the shape of a fir tree base.
  • the dispenser according to the invention can be produced according to the technology of the powder metallurgy.
  • the blades are adapted to define at the outlet a supersonic flow between Mach 1.2 and Mach 2.5.
  • the distributor according to the invention is particularly suitable for a turbine turbopump.
  • the blades have an inclination at output between 65 and 80 ° relative to the axis of the distributor.
  • the geometry of the distributor according to the invention makes it possible to obtain a supersonic output speed while respecting radial balance and ensuring a complete supply of the vein at the inlet of the first rotor.
  • FIG. 1 the overview of a supersonic distributor 110 according to the invention comprising a set of vanes 103 distributed between a hub 101 and an outer casing 102.
  • Figures 2 to 5 show the fluid passages 104 formed between the vanes 103 whose leading edge and trailing edge respectively carry the references 132 and 131.
  • the vanes 103 In section developed according to a given radius; for example in cross section of foot (Figure 2), in medium section ( Figure 3) and in head section (Figure 4), the vanes 103 define a profile in the form of a two-dimensional half-nozzle.
  • each dawn 103 in a dawn to dawn plan such as those of Figures 2 to 4
  • has a straight upstream portion 134, a boss 133 defining a neck 142 to accelerate the flow to Mach 1, and a curved downstream part 135 which ends in a uniform flow region with a trailing edge 131 end which can be truncated perpendicular to the axis of rotation.
  • the profile of the distributor blades 110 according to the invention is characterized in particular by the presence of a leading edge 132 end and especially a trailing edge 131 end.
  • the thickness e of the trailing edge 131 can be between approximately 4 and 8% of the pitch p defined between the successive vanes 103 (FIG. 3).
  • a thickness e of the trailing edge 131 of the order of 6% of the pitch p is generally satisfactory for limiting the level of losses and improving the quality of the flow.
  • the construction of the profile of a blade 103 in the radial direction of the height H of dawn is performed by stacking while respecting a profile homothety substantially equal to the ratio of the radius considered to the average radius R of the vein.
  • the distributor outlet angle is adjusted by a twisting of the blades 103 between the foot 101 and the head 102. This is done so as to allow a respect of the radial evolution of the Mach triangle at the entry of the wheel mobile.
  • the changing profile of the blades 103 is such that the blades are free of angular parts with the exception of leading edges and edges which can advantageously be truncated.
  • the vanes 103 can be manufactured separately and attached to the hub 101.
  • the blades 103 can be anchored in the hub 101 and the outer casing 102 by ends 138, 139 in the shape of a fir tree foot.
  • a vane distributor according to the invention can advantageously be produced according to powder metallurgy technology.
  • the vanes 103 may have various inclinations at the outlet according to the applications envisaged.
  • the tilt vanes 103 relative to the axis of the distributor can be between approximately 65 and 80 °.
  • Figure 7 concerns the previous example and shows the triangles of speeds upstream of the turbine rotor at foot level (vectors A, A '), a mean radius (vectors B, B ') and of the head (vectors C, C').
  • Vectors A, B, C give the output speed values in number of Mach (namely 1.86; 1.74 and 1.63 respectively) for an absolute inclination ⁇ a 74 °, for the foot, at the medium radius and the head of the blades 103.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine des turbomachines et plus particulièrement les turbines supersoniques.
Art antérieur de référence
On connaít déjà divers types de distributeurs statiques de turbine destinés à guider les gaz d'entraínement de la turbine vers les aubes du rotor de la turbine.
Ainsi, le document FR-A-2 560 287 montre un exemple de distributeur de turbine de turbopompe de moteur-fusée. Un tel distributeur ou tuyère annulaire fixe de stator comporte un certain nombre d'ailettes ayant un espacement et une configuration tels qu'elles répartissent et dirigent le courant de gaz de la manière voulue vers les aubes. Dans le dispositif décrit dans le document FR-A-2 560 287, chaque ailette a une âme creuse afin de réduire les contraintes thermiques et peut être réalisée en une céramique moulée par injection ou en métal réfractaire moulé par injection, coulé ou usiné. Chaque ailette présente des plaques externe et interne en forme de corne auxquelles est rattaché le corps de l'ailette. Par ailleurs, un dispositif de support flottant des ailettes est destiné à permettre à chaque ailette de se régler par rapport à la direction du courant de fluide. Un tel agencement est complexe à réaliser et présente une géométrie qui entraíne des contraintes importantes sur les ailettes.
On connaít également des distributeurs supersoniques aubés de premier étage de turbine de turbopompe, notamment pour le pompage d'ergols de moteurs-fusées, qui sont réalisés d'un seul bloc et visent à transformer un écoulement à forte pression et faible vitesse en un écoulement supersonique à forte vitesse et forte composante tangentielle pour alimenter la première roue mobile de la turbine.
Dans un tel type de distributeur alimenté par la volute d'entrée de la turbine, dans laquelle le gaz circule à basse vitesse, les aubes du distributeur constituent une série de tuyères supersoniques bidimensionelles usinées dans la masse et réparties périodiquement selon une couronne dans des plans tangents à la surface méridienne moyenne de la veine cylindrique.
Un exemple d'un tel distributeur supersonique aubé classique est illustré sur les figures 8 à 11 des dessins annexés.
La figure 8 montre la configuration d'un tel distributeur classique 10 dans le plan de sortie. Un arrachement permet de voir les extrémités 31 des aubes 3 près du plan de sortie, qui sont rattachées au moyeu 1 et au carter externe 2 par des parties élargies 312, 313.
La figure 9 montre une section agrandie selon la ligne IX-IX de la figure 8, dans un plan tangentiel du distributeur. On voit sur la figure 9 la forme du canal de passage d'une tuyère élémentaire bidimensionnelle 4 avec une partie divergente 43.
La figure 10 illustre en perspective une portion du distributeur de la figure 8 et la figure 11 correspond à une coupe de la portion représentée sur la figure 10, dans une zone proche du bord de fuite. On voit sur la figure 11 qu'une aube 3 comporte une portion centrale 311 rattachée au moyeu 1 et au carter externe 2 par des portions 312, 313 créant de brusques variations d'épaisseur dans lesquelles les contraintes mécaniques symbolisées par les flèches 314 et 315 s'accumulent.
Un distributeur tel que celui illustré sur les figures 8 à 11 présente un certain nombre d'inconvénients.
En particulier, l'écoulement de sortie est tangentiel et ne comporte pas de giration compatible avec l'équilibre radial que l'on cherche à obtenir à l'amont de la roue mobile.
Cet écoulement tangentiel vient percuter le carter externe de la roue mobile et génère des ondes de choc, susceptibles d'entraíner des risques de décollement à l'entrée de la roue mobile.
Des effets de culot et de marche, en supersonique, viennent se superposer au phénomène précédent à la sortie du distributeur.
Un distributeur aubé tangentiel tel que celui qui a été décrit comporte des bords de fuite épais tridimensionnels et des marches entre les parois latérales des tuyères individuelles et les carters de la roue mobile. Il existe ainsi de fortes distorsions de l'écoulement dans le sens radial et azimutal. En particulier, on a pu constater une dégradation importante de la pression d'arrêt moyennée azimutalement près du carter externe, cette dégradation révélant la présence d'un décollement au niveau du carter externe.
Objet et description succincte de l'invention :
La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients des distributeurs supersoniques aubés de l'art antérieur et notamment de permettre d'obtenir une vitesse supersonique en sortie du distributeur en respectant une loi d'équilibre radial en entrée du premier rotor de turbine de manière à assurer un bon profil de vitesse sur toute la hauteur des aubages.
Ces buts sont atteints grâce à un distributeur supersonique d'étage d'entrée de turbomachine, comprenant un carter extérieur, un moyeu, un ensemble d'aubes périphériques disposées en couronne et rattachées au moyeu pour ménager entre les aubes des passages de fluide à vitesse supersonique transformant un écoulement à forte pression et faible vitesse en un écoulement supersonique à faible pression, caractérisé en ce que les aubes sont disposées radialement de façon régulière au sein d'un tore d'alimentation en fluide, en ce que, en coupe développée selon une ligne correspondant à un rayon donné, c'est-à-dire dans un plan aube à aube, les aubes définissent un profil en forme de demi-tuyère bidimensionnelle et en ce que ledit profil présente une partie amont rectiligne, un bossage définissant un col pour accélérer l'écoulement jusqu'à un nombre de Mach égal à 1, le col présentant une section variable selon le rayon considéré, et une partie aval courbe qui se termine par un bord de fuite qui peut être tronqué perpendiculairement à l'axe de rotation.
La position du bossage de chaque aube et la longueur de la partie aval courbe sont définies en fonction du rapport de pression désiré de part et d'autre du distributeur.
La construction du profil des aubes dans le sens radial est réalisée par empilement tout en respectant une homothétie du profil sensiblement égale au rapport du rayon considéré sur le rayon moyen de la veine.
Pour chaque rayon, l'angle de sortie du distributeur est ajusté par un vrillage des aubes entre le pied et la tête.
Sur toute la hauteur des aubes, il est maintenu un bord de fuite fin. Le rapport entre la section du col de tuyère et la section de sortie est choisi à chaque rayon en fonction du rapport de pression souhaité de manière à respecter une loi d'équilibre radial.
Avantageusement, le bord de fuite de chaque aube représente de 4 à 8 % du pas défini entre les aubes successives.
Les aubes présentent un profil évolutif selon le rayon et exempt de parties anguleuses, à l'exception des bords de fuite et des bords d'attaque qui peuvent être avantageusement tronqués.
Les aubes sont fabriquées séparément et rapportées sur le moyeu.
Selon un mode particulier de réalisation possible, les aubes sont ancrées dans le moyeu et le carter externe par des parties en forme de pied de sapin.
Le distributeur selon l'invention peut être réalisé selon la technologie de la métallurgie des poudres.
Dans un distributeur selon l'invention, les aubes sont adaptées pour définir en sortie un écoulement supersonique compris entre Mach 1,2 et Mach 2,5.
Le distributeur selon l'invention est particulièrement adapté à une turbine de turbopompe.
Dans le cadre d'une telle application, avantageusement, les aubes présentent en sortie une inclinaison comprise entre 65 et 80° par rapport à l'axe du distributeur.
On notera que dans tous les cas, la géométrie du distributeur selon l'invention permet d'obtenir une vitesse supersonique en sortie en respectant l'équilibre radial et en assurant une alimentation complète de la veine en entrée du premier rotor.
L'écoulement étant naturellement giratoire, les pertes liées à l'intéraction de l'écoulement supersonique avec le carter externe sont supprimées.
Par ailleurs, avec un distributeur conforme à l'invention, les effets de culot sont réduits puisqu'ils ne proviennent plus que des épaisseurs de bord de fuite.
La plus grande régularité structurelle des aubes d'un distributeur selon l'invention est également très avantageuse dans la mesure où elle se traduit par la suppression des brusques variations d'épaisseur favorables à l'accumulation des contraintes.
Brève description des dessins :
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
  • la figure 1 est une vue de face d'un distributeur supersonique selon l'invention,
  • les figures 2, 3 et 4 sont des coupes respectivement selon les lignes II-II, III-III, et IV-IV de la figure 1 correspondant à une coupe de pied, une coupe moyenne et une coupe de tête montrant le profil des aubes du distributeur, selon l'invention,
  • la figure 5 représente une vue partielle en perspective montrant un exemple de forme d'ensemble des aubes d'un distributeur selon l'invention,
  • la figure 6 est une section dans un plan parallèle au plan de sortie montrant un exemple particulier d'ancrage des aubes dans le moyeu et le carter externe,
  • la figure 7 montre les triangles de vitesse à la sortie d'un distributeur selon l'invention, respectivement au niveau du pied, d'un rayon moyen et de la tête du distributeur,
  • la figure 8 est une vue de face avec arrachement d'un distributeur supersonique de l'art antérieur réalisé d'une seule pièce,
  • la figure 9 est une section agrandie selon la ligne IX-IX de la figure 8,
  • la figure 10 est une vue partielle en perspective du distributeur connu de la figure 8, et
  • la figure 11 est une section d'une aube du distributeur des figures 8 et 10, au voisinage du plan de sortie.
On voit sur la figure 1 la vue d'ensemble d'un distributeur supersonique 110 selon l'invention comprenant un ensemble d'aubes 103 réparties entre un moyeu 101 et un carter externe 102.
On constate que les aubes 103 sont disposées radialement de façon régulière, en couronne, au sein d'un tore d'alimentation en fluide.
Les figures 2 à 5 montrent les passages de fluide 104 ménagés entre les aubes 103 dont le bord d'attaque et le bord de fuite portent respectivement les références 132 et 131.
En coupe développée selon un rayon donné; par exemple en coupe de pied (figure 2), en coupe moyenne (figure 3) et en coupe de tête (figure 4), les aubes 103 définissent un profil en forme de demi-tuyère bidimensionnelle.
Le profil de chaque aube 103 dans un plan aube à aube tel que ceux des figures 2 à 4, présente une partie amont rectiligne 134, un bossage 133 définissant un col 142 pour accélérer l'écoulement jusqu'à Mach = 1, et une partie aval courbe 135 qui se termine dans une région d'écoulement uniforme par un bord de fuite 131 fin qui peut être tronqué perpendiculairement à l'axe de rotation.
Chaque aube 103 comporte une paroi 136 définissant une demi-tuyère et une paroi 137 sans bossage. Deux aubes 103 successives définissent entre elles un passage de fluide 104 délimité d'une part par une paroi 137 sans bossage et d'autre part par une paroi 136 formant demi-tuyère, de manière à engendrer un écoulement supersonique qui peut présenter en sortie un nombre de Mach compris entre environ Mach = 1,2 et Mach = 2,5.
L'écoulement présentant un nombre de Mach = 1 au niveau du col 142 est accéléré progressivement en aval jusqu'à la sortie du canal d'écoulement 104.
La position des bossages 133 définissant les cols 142 des tuyères, ainsi que la longueur des sections aval 135 des aubes 103 sont définies en fonction du rapport de pression désiré de part et d'autre du distributeur.
Le profil des aubes du distributeur 110 selon l'invention, se caractérise en particulier par la présence d'un bord d'attaque 132 fin et surtout d'un bord de fuite 131 fin. Ainsi, l'épaisseur e du bord de fuite 131 peut être comprise entre environ 4 et 8 % du pas p défini entre les aubes successives 103 (figure 3).
Une épaisseur e du bord de fuite 131 de l'ordre de 6 % du pas p est en général satisfaisante pour limiter le niveau des pertes et améliorer la qualité de l'écoulement.
La construction du profil d'une aube 103 dans le sens radial de la hauteur H de l'aube est réalisée par empilement tout en respectant une homothétie de profil sensiblement égale au rapport du rayon considéré sur le rayon moyen R de la veine.
Pour chaque rayon, l'angle de sortie du distributeur est ajusté par un vrillage des aubes 103 entre le pied 101 et la tête 102. Ceci est réalisé de manière à permettre un respect de l'évolution radiale du triangle de Mach à l'entrée de la roue mobile.
Dans tous les cas, le profil évolutif des aubes 103 est tel que les aubes sont exemptes de parties anguleuses à l'exception des bords d'attaque et des bords de fuite qui peuvent être avantageusement tronqués.
Les aubes 103 peuvent être fabriquées séparément et rapportées sur le moyeu 101. A titre d'exemple, comme représenté sur la figure 6, les aubes 103 peuvent être ancrées dans le moyeu 101 et le carter externe 102 par des extrémités 138, 139 en forme de pied de sapin.
Un distributeur aubé selon l'invention peut être avantageusement réalisé selon la technologie de la métallurgie des poudres.
Les aubes 103 peuvent présenter en sortie des inclinaisons diverses selon les applications envisagées.
Dans le cas d'une application à une turbine de turbopompe, l'inclinaison des aubes 103 par rapport à l'axe du distributeur peut être comprise entre environ 65 et 80 °.
Un exemple particulier de réalisation d'un distributeur supersonique aubé conforme à l'invention, appliqué à une turbine de turbopompe, présente les caractéristiques suivantes :
  • rayon moyen R de la veine = 120 mm
  • hauteur H des aubes = 11,9 mm
  • corde C des aubes = 15,4 mm
  • épaisseur e du bord de fuite = 6,6 % du pas p entre aubes,
  • inclinaison des aubes par rapport à l'axe = 74° en sortie,
  • nombre de canaux = 31
  • taux de détente = 6,5
La figure 7 concerne l'exemple précédent et montre les triangles des vitesses en amont du rotor de la turbine au niveau du pied (vecteurs A, A'), d'un rayon moyen (vecteurs B, B') et de la tête (vecteurs C, C').
Les vecteurs A, B, C donnent les valeurs de vitesse en sortie en nombre de Mach (à savoir respectivement 1,86; 1,74 et 1,63) pour une inclinaison absolue βa de 74 °, pour le pied, au rayon moyen et la tête des aubes 103.
Ces valeurs de vitesse varient selon la hauteur des aubes pour s'adapter à l'équilibre radial.
Les vecteurs A', B', C' donnent les valeurs de vitesse relative à l'entrée du rotor en nombre de Mach (à savoir respectivement 1,55; 1,42 et 1,31) pour un angle relatif βr qui est respectivement de 70,7 °; 70,3 ° et 69,9 ° au niveau du pied, du rayon moyen et de la tête des aubes 103 du distributeur.
Avec ces valeurs, un équilibre radial satisfaisant est obtenu en sortie du distributeur et un bon équilibre de vitesse est établi sur toute la hauteur des aubes du premier rotor.

Claims (13)

  1. Distributeur supersonique d'étage d'entrée de turbomachine, comprenant un carter extérieur (102), un moyeu (101), un ensemble d'aubes périphériques (103) disposées en couronne et rattachées au moyeu (101) pour ménager entre les aubes (103) des passages de fluide (104) à vitesse supersonique transformant un écoulement à forte pression et faible vitesse en un écoulement supersonique à faible pression,
       caractérisé en ce que les aubes (103) sont disposées radialement de façon régulière au sein d'un tore d'alimentation en fluide, en ce que, en coupe développée selon une ligne correspondant à un rayon donné, c'est-à-dire dans un plan aube à aube, les aubes (103) définissent un profil en forme de demi-tuyère bidimensionnelle et en ce que ledit profil présente une partie amont rectiligne (134), un bossage (133) définissant un col (142) pour accélérer l'écoulement jusqu'à un nombre de Mach égal à 1, le col (142) présentant une section variable selon le rayon considéré, et une partie aval courbe (135) qui se termine par un bord de fuite (131) qui peut être tronqué perpendiculairement à l'axe de rotation.
  2. Distributeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position du bossage (133) de chaque aube (103) et la longueur de la partie aval courbe (135) sont définies en fonction du rapport de pression désiré de part et d'autre du distributeur.
  3. Distributeur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la construction du profil des aubes (103) dans le sens radial est réalisée par empilement tout en respectant une homothétie du profil sensiblement égale au rapport du rayon considéré sur le rayon moyen de la veine (R).
  4. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que pour chaque rayon, l'angle de sortie (β) du distributeur est ajusté par un vrillage des aubes (103) entre le pied et la tête.
  5. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que sur toute la hauteur des aubes (103) il est maintenu un bord de fuite (131) fin ainsi qu'un rapport entre la section du col de tuyère (104) et la section de sortie qui est choisi à chaque rayon en fonction du rapport de pression souhaité.
  6. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le bord de fuite (131) de chaque aube (103) représente de 4 à 8 % du pas défini entre les aubes successives (103).
  7. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les aubes (103) présentent un profil évolutif selon le rayon et exempt de parties anguleuses.
  8. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les aubes (103) sont fabriquées séparément et rapportées sur le moyeu (101).
  9. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les aubes (103) sont ancrées dans le moyeu (101) et le carter externe (102) par des parties en forme de pied de sapin.
  10. Distributeur selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est réalisé selon la technologie de la métallurgie des poudres.
  11. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les aubes (103) sont adaptées pour définir en sortie un écoulement supersonique compris entre Mach 1,2 et Mach 2,5.
  12. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est adapté à une turbine de turbopompe.
  13. Distributeur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les aubes présentent en sortie une inclinaison comprise entre 65 et 80° par rapport à l'axe du distributeur.
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EP0719906A1 EP0719906A1 (fr) 1996-07-03
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