FR3122709A1

FR3122709A1 - compresseur centrifuge avec rotor à double rouets, et diffuseur

Info

Publication number: FR3122709A1
Application number: FR2104868A
Authority: FR
Inventors: Pierre Tarnowski Laurent; Yves Félix Gilbert PORODO Jérôme
Original assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2041-05-07
Also published as: FR3122709B1

Abstract

Ensemble de turbomachine 10) comprenant un compresseur centrifuge (11) avec un rotor (50) à double rouets agencés selon une configuration dos-à-dos, et un diffuseur (12) agencé en vis-à-vis radial de la sortie (13) du rotor (50) à double rouets, dans lequel le diffuseur (12) comprend des moyens de séparation (14) de l’air sortant du compresseur centrifuge (11) agencés de sorte qu’un premier flux d’air sortant d’un premier rouet (15) alimente un premier conduit annulaire (16) du diffuseur (12) et qu’un second flux d’air sortant d’un second rouet (17) alimente un second conduit annulaire (18) du diffuseur (12). Figure de l’abrégé : Figure 1

Description

compresseur centrifuge avec rotor à double rouets, et diffuseur

La présente demande se rapporte à un ensemble composé d’un compresseur centrifuge de turbomachine équipé d’un rotor à double rouets agencés selon une configuration dos-à-dos, et d’un diffuseur.

Les rotors à double rouets agencés selon une configuration dos-à-dos, c’est-à-dire accouplés par le dos, sont déjà connus de la technique antérieure. Leur association avec un diffuseur est également déjà connue, dans le cadre de la recherche d’une amélioration des performances du compresseur. Dans certaines configurations, le rotor à double rouets est directement suivi du diffuseur de sorte que l’on observe des perturbations de l’écoulement d’air en sortie des deux rouets. En effet, l’air sortant du premier rouet se mélange avec l’air du second rouet et les deux écoulements d’air se perturbent mutuellement. Ce type de configuration à double rouets a ainsi pour effet d’impacter l’aérodynamique locale et de réduire la marge au pompage de l’étage de compression du fait d’un abaissement de la pression en sortie du compresseur.

Résumé

La présente divulgation a notamment pour but d’améliorer le comportement aérodynamique local, en sortie de rotor à double rouets agencés dos-à-dos et dans le diffuseur associé.

Il est ainsi proposé un ensemble comprenant un compresseur centrifuge avec un rotor à double rouets agencés selon une configuration dos-à-dos, et un diffuseur agencé en vis-à-vis radial de la sortie du rotor à double rouets, dans lequel le diffuseur comprend des moyens de séparation de l’air sortant du compresseur centrifuge agencés de sorte qu’un premier flux d’air sortant d’un premier rouet alimente un premier conduit annulaire du diffuseur et qu’un second flux d’air sortant d’un second rouet alimente un second conduit annulaire du diffuseur.

Les moyens de séparation reproduisent ainsi les conditions d’alimentation du diffuseur du compresseur centrifuge, bien connues dans le cas d’une association avec un rotor à simple rouet, tout en profitant de la conception d’un rotor à double rouets, ce rotor permettant de doubler le débit passant dans le compresseur. Les moyens de séparation sont donc particulièrement avantageux afin d’accroitre les performances de fonctionnement d’une turbomachine et de maintenir, voire d’améliorer la marge au pompage, dans une solution technique cherchant à utiliser un rotor à double rouet.

Alternativement ou au surplus, le premier conduit annulaire et le second conduit annulaire forment un canal annulaire d’écoulement d’air dans lequel sont agencés les moyens de séparation.

Alternativement ou au surplus, les moyens de séparation comprennent au moins une partie amont présentant la forme d’une aube. En outre, l’aube peut être à profil symétrique.

Alternativement ou au surplus, la partie amont des moyens de séparation s’étend selon un axe et dans lequel, une première distance entre une enveloppe de la partie amont et une paroi du premier ou du second conduit annulaire représente entre 1% et 50% d’une deuxième distance entre l’axe et ladite paroi.

Les moyens de séparation peuvent en outre comprendre une paroi de séparation s’étendant depuis un bord de fuite de ladite partie amont.

En outre, la paroi de séparation peut être de forme coudée.

Alternativement ou au surplus, le canal annulaire d’écoulement d’air présente une portion annulaire radiale, une portion annulaire axiale et une portion annulaire coudée de jonction de la portion radiale à la portion axiale, la partie amont des moyens de séparation s’étendant au moins dans la portion radiale, et la paroi de séparation s’étendant au moins dans la portion annulaire coudée.

En outre, la portion annulaire axiale peut s’étendre sur une longueur H1 et la paroi de séparation peut comprendre une extrémité aval des moyens de séparation séparée d’une extrémité aval du canal annulaire d’écoulement d’air par une distance D1 comprise entre 10% et 100% de la longueur H1.

Alternativement ou au surplus, une extrémité amont des moyens de séparation est agencée en amont des premier et second conduits annulaires.

En outre, un bord de fuite du rotor peut être séparé des premier et second conduits annulaires d’une distance H2, et l’extrémité amont peut être agencée à une distance D2 mesurée à partir du bord de fuite, D2 étant compris entre 1% et 100% de la distance H2.

Selon un autre aspect, il est proposé une turbine comprenant un ensemble tel que décrit ci avant.

D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

Fig. 1

montre une vue schématique en coupe d’une partie d’un compresseur centrifuge selon un exemple de réalisation.

Fig. 2

montre une vue schématique en coupe du diffuseur selon l’exemple de la .

Fig. 3

montre une vue détaillée de la partie du compresseur de la .

Les termes « amont » et « aval » sont par la suite définis par rapport à une entrée d’air (amont) et une sortie des gaz (aval) d’une turbomachine.

La illustre un ensemble composé en partie d’un compresseur centrifuge 11, et d’un diffuseur 12. Le compresseur comprend un rotor 50. Le rotor 50 est de type à double rouets, les deux rouets étant agencés dans une configuration dos-à-dos. En particulier, le rotor 50 comprend un premier rouet 15 et un second rouet 17. Le premier et le second rouet 15, 17 sont accolés de sorte que le rotor 50 comprend ainsi deux entrées de fluide, dont leurs directions d’écoulement sont opposées l’une à l’autre.

Le rotor 50 comprend en outre une sortie 13, par laquelle le fluide sort du rotor 50. Plus précisément, le fluide traverse le premier et le second rouet 15, 17 jusqu’à la sortie 13 du rotor 50. La sortie 13 est commune au premier et au second rouets 15, 17. La sortie 13 comprend ainsi un bord de fuite 24.

Le diffuseur 12 est également illustré à la . Le diffuseur 12 comprend un premier conduit annulaire 16 et un second conduit annulaire 18. Le premier et le second conduit annulaire 16, 18 forment un canal annulaire d’écoulement d’air 22.

Comme l’illustre la , le canal annulaire d’écoulement d’air 22 présente une portion annulaire radiale 25 et une portion annulaire axiale 26. Le canal annulaire d’écoulement d’air 22 peut également comprendre une portion annulaire coudée 30. La portion annulaire coudée 30 relie la portion annulaire radiale 25 à la portion annulaire axiale 26.

La portion annulaire radiale 25 comprend une paroi annulaire radiale amont 41 et une paroi annulaire radiale aval 42. Les parois annulaires radiales amont et aval 41, 42 s’étendent parallèlement l’une par rapport à l’autre. La portion annulaire radiale 25 comprend en outre l’extrémité amont 31 du canal annulaire d’écoulement d’air 22.

La portion annulaire axiale 26 comprend une paroi annulaire axiale interne 43 et une paroi annulaire axiale externe 44. La paroi annulaire axiale radialement interne 43 et la paroi annulaire axiale radialement externe 44 s’étendent parallèlement l’une par rapport à l’autre, c’est-à-dire coaxiales. La portion annulaire axiale 26 comprend en outre en aval l’extrémité aval 28 du canal annulaire d’écoulement d’air 22.

La portion annulaire coudée 30 est agencée entre la portion annulaire radiale 25 et la portion annulaire axiale 26. Plus précisément, la portion annulaire coudée 30 est la jonction entre la portion annulaire radiale 25 et la portion annulaire axiale 26. La portion annulaire coudée 30 s’étend donc en amont selon une direction radiale, à partir de la portion annulaire radiale 25, pour finir selon une direction axiale en aval, au niveau de la portion annulaire axiale 26. La portion annulaire coudée 30 comprend une paroi coudée annulaire interne 45 et une paroi coudée annulaire externe 46. Les parois coudées annulaires interne et externe 45, 46 sont équidistantes l’une de l’autre en tout point.

Le diffuseur 12 suit directement le rotor 50. Plus précisément, il n’existe pas d’éléments interposés entre le diffuseur 12 et le rotor 50, de sorte que le fluide sort du rotor 50 jusqu’au diffuseur 12 sans venir au contact d’une pièce quelconque servant notamment de guide au fluide entre ces deux éléments, telle que par exemple un cône de rattrapage. En outre, comme le montre la , le diffuseur 12 et le rotor 50 ne sont pas en contact l’un avec l’autre, mais séparés par un espace, cet espace étant représenté par une distance H2, visible à la . Par conséquent, en l’absence de pièce servant de guide entre le rotor 50 et le diffuseur 12, une partie du flux peut dévier en dehors du diffuseur 12, ce qui entraine par exemple une réduction de la marge au pompage. Le fluide en sortie 13 de rotor 50 voit donc son aérodynamique locale perturbée par rapport à une configuration classique dans le cas d’un compresseur centrifuge à rouet simple, faisant intervenir par exemple un cône de rattrapage du fluide.

En outre, le fluide entrant dans le diffuseur 12 provient du premier et du second rouet 15,17. Le fluide est ainsi composé de deux flux dans le rotor 50 (un premier flux traversant le premier rouet 16 et un second flux traversant le second rouet 17) puis forme un unique flux à l’entrée du diffuseur 12. Cet unique flux correspond au regroupement des deux fluides en amont. Le regroupement peut entrainer des phénomènes de recirculation de fluide ou de tourbillon et ainsi créer des anomalies dans le comportement aérodynamique en entrée de diffuseur 12. Ces anomalies participent au phénomène de réduction de la marge au pompage de l’étage de compression.

La illustre également des moyens de séparation 14. Les moyens de séparation 14 servent de guide pour l’écoulement entre le rotor 50 et le diffuseur 12, ce qui permet d’offrir au fluide sortant du rotor 50 des conditions d’alimentation du diffuseur 12 la plus proche possible de celles existantes dans le cas d’un compresseur centrifuge à rouet simple. En effet, les moyens de séparation 14 reproduisent le phénomène de contraction des lignes de courant du fluide rencontré dans le cas du compresseur à rouet simple. Ce phénomène de contraction participe à la stabilité de l’écoulement dans la zone rotor / stator. Les moyens de séparation maintiennent ainsi séparés en deux flux, le fluide sortant du rotor 50 vers le diffuseur 12. Par conséquent, les moyens de séparation 14 conservent la division du flux entrant dans le diffuseur 12 en deux flux, chacun des deux flux étant dirigé depuis la sortie 13 vers respectivement le premier conduit annulaire 16 et le second conduit annulaire 18. En d’autres termes, les moyens de séparation 14 séparent le canal annulaire d’écoulement d’air 22 en plusieurs conduits annulaires. Par exemple, tel qu’illustré sur les figures, les moyens de séparation 14 sont agencés dans le canal annulaire d’écoulement d’air 22. Les moyens de séparation 14 séparent le canal annulaire d’écoulement d’air 22 en deux conduits, à savoir le premier et le second conduit annulaires 16, 18. En d’autres termes, les moyens de séparation 14 prolongent les deux flux traversant le rotor 50, c’est-à-dire le premier flux traversant le premier rouet 16 et le second flux traversant le second rouet 18 jusque dans le diffuseur 12. Les moyens de séparation 14 sont ainsi un guide physique évitant le regroupement des flux en sortie de rotor 50.

Tel qu’illustré par exemple sur les figures 1 et 2, les moyens de séparation 14 peuvent comprendre une partie amont 19. La partie amont 19 s’étend au moins dans la partie radiale 25. Plus précisément, la partie amont 19 comprend une extrémité amont 23 et un bord de fuite 21. L’extrémité amont 23 et le bord de fuite 21 peuvent s’étendre au-delà de la partie radiale 25, respectivement en amont et en aval de la partie radiale 25.

En outre, la partie amont 19 peut prendre la forme d’une aube à profil symétrique. Par « profil symétrique », il faut comprendre que la cambrure de l’aube est nulle. De plus, l’axe de symétrie de l’aube est parallèle à la direction de la vitesse d’approche du fluide. En outre, l’aube comprend un corps profilé, avec un bord d’attaque arrondi et un bord de fuite 21, le bord de fuite 21 étant mince par rapport au bord d’attaque. L’écoulement se divise alors au tour du bord d’attaque, c’est-à-dire de l’extrémité amont 23, et se rejoint au bord de fuite 21 de l’aube. L’axe de la partie amont 19 est d’ailleurs illustré sur la , par la référence X19. L’axe X19 peut être un axe de symétrie, qui s’étend radialement dans le canal annulaire d’écoulement d’air 22.

La illustre plus en détail la partie amont du canal annulaire d’écoulement d’air 22, c’est-à-dire l’entrée du diffuseur 12 Tel que visible dans cet exemple, l’extrémité amont 23 des moyens de séparation 14 est agencée en amont du canal annulaire d’écoulement d’air 22. En d’autres termes, l’extrémité amont 23 est agencée entre le bord de fuite 24 du rotor 50, et l’extrémité amont 31 du canal annulaire d’écoulement d’air 22. La partie amont 19 des moyens de séparation 14 se situe ainsi en partie en dehors du canal annulaire d’écoulement d’air 22, dans l’espace de distance H2. Plus précisément, l’extrémité amont 23 est agencée à une distance D2 mesurée à partir du bord de fuite 24. La distance D2 peut être comprise entre 1% et 100% de la distance H2. Par exemple, la distance H2 peut être 10 mm et la distance D2 peut être 5 mm. La distance D2 est donc égale à 50% de la distance H2. Selon un autre exemple, la distance H2 peut être 10 mm et la distance D2 peut être 6 mm. La distance D2 est donc égale à 60% de la distance H2, et l’extrémité amont 23 des moyens de séparation 14 est agencée 4 mm en amont de l’extrémité amont 31 du canal annulaire d’écoulement d’air 22.

En outre, toujours selon la , on peut voir que la partie amont 19 des moyens de séparation 14 occupe un volume dans le canal annulaire d’écoulement d’air 22. Selon la taille de la partie amont 19, ce volume occupé est plus ou moins important. En d’autres termes, les moyens de séparation 14 apportent une contraction plus ou moins importante d’une section du canal annulaire d’écoulement d’air 22. Par exemple, plus la partie amont 19 est de volume important, plus le canal d’écoulement d’air 22 est obstrué, et donc son volume moins important dans sa portion comprenant la partie amont 19. En particulier, le rapport entre le volume occupé par la partie amont 19 dans le canal annulaire d’écoulement d’air 22 peut être illustré par une mesure prise à l’extrémité amont 31 du canal annulaire d’écoulement d’air 22, en référence à la . Par exemple, la partie amont 19 est agencée radialement selon la ligne médiane du canal annulaire d’écoulement d’air 22, ce qui sépare le canal en deux parties radialement symétriques, par rapport à l’axe de symétrie X19 dans la portion annulaire radiale 25. A l’extrémité amont 31 du canal annulaire d’écoulement d’air 22, on mesure une première distance L31 entre l’enveloppe de la partie amont 19 et la surface interne de la paroi annulaire radiale amont 41, ainsi qu’une deuxième distance L19 entre l’axe de symétrie X19 de la partie amont 19 et la paroi interne de la paroi annulaire radiale amont 41. La première distance L31 peut représenter entre 1% et 50% de la deuxième distance L19. Par exemple, pour une distance L19 égale à 10 mm, la distance L31 peut être égale à 4 mm, ce qui représente 40% de la distance L19.

Alternativement, les moyens de séparation 14 comprennent une paroi de séparation 20, illustrée par exemple à la . La paroi de séparation 20 s’étend depuis le bord de fuite 21 de la partie amont 19, vers l’extrémité aval 28 du canal annulaire d’écoulement d’air 22. La paroi de séparation 20 se termine par une extrémité aval 27.

Sur l’exemple de la , la paroi de séparation 20 s’étend principalement dans la portion annulaire coudée 30. En outre, la paroi de séparation 20 est de forme coudée. En d’autres termes, la paroi de séparation 20 suit la forme coudée de la portion annulaire coudée 30. La paroi de séparation 20 sépare le canal annulaire d’écoulement d’air 22 en une partie annulaire externe, limitée par la paroi coudée annulaire externe 46, et en une partie annulaire interne, limitée par la paroi coudée annulaire interne 47. Par conséquent, la paroi de séparation 20 prolonge les premier et second conduits annulaires 16, 18 dans la portion annulaire coudée 30. La paroi de séparation 20 permet ainsi de guider les flux circulants depuis la portion annulaire radiale 25 dans les premier et second conduits annulaires 16, 18 et de permettre une transition optimale entre une circulation radiale des flux dans la portion annulaire radiale 25 et une circulation axiale des flux dans la portion annulaire axiale 26.

Alternativement, la paroi de séparation 20 s’étend également, au moins en partie, dans la portion annulaire axiale 26. Plus précisément, on peut écrire D1 la distance entre l’extrémité aval 27 des moyens de séparation 14 et l’extrémité aval 28 du canal annulaire d’écoulement d’air 22, autrement dit, la distance entre l’extrémité libre de la paroi de séparation et le bord de fuit de la portion annulaire axiale 26. Cette distance D1 est peut être comprise entre 10% et 100% de la longueur H1 de la portion annulaire axiale 26. Par exemple, la portion annulaire axiale 26 est de longueur 100 mm et l’extrémité aval 27 est située à 60 mm de l’extrémité aval 28 du canal annulaire d’écoulement d’air 22. La distance D1 représente donc 60% de la longueur H1.

En outre, les moyens de séparation 14 peuvent être une pièce rapportée, insérée dans le canal annulaire d’écoulement d’air 22. Alternativement, les moyens de séparation 14 peuvent être fabriqués avec le canal annulaire d’écoulement d’air 22, soit en une seule pièce, soit en deux demi-pièces, par exemple en fabrication additive.

En outre, les figures illustrent des moyens de séparations 14 sous la forme d’une aube à profil symétrique se prolongeant par une paroi de séparation. Cependant, la présente description ne se limite pas à cet exemple, d’autres formes pouvant être envisagées. Par exemple, les moyens de séparation 14 peuvent être une paroi fixe dans la portion annulaire radiale 25, séparant le canal annulaire d’écoulement d’air 22 en un premier et un second conduits annulaires 16, 18.

Claims

Ensemble de turbomachine (10) comprenant un compresseur centrifuge (11) avec un rotor (50) à double rouets agencés selon une configuration dos-à-dos, et un diffuseur (12) agencé en vis-à-vis radial de la sortie (13) du rotor (50) à double rouets, caractérisé en ce que
le diffuseur (12) comprend des moyens de séparation (14) de l’air sortant du compresseur centrifuge (11) agencés de sorte qu’un premier flux d’air sortant d’un premier rouet (15) alimente un premier conduit annulaire (16) du diffuseur (12) et qu’un second flux d’air sortant d’un second rouet (17) alimente un second conduit annulaire (18) du diffuseur (12).
Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le premier conduit annulaire (16) et le second conduit annulaire (18) forment un canal annulaire d’écoulement d’air (22) dans lequel sont agencés les moyens de séparation (14).
Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens de séparation (14) comprennent au moins une partie amont (19) présentant la forme d’une aube.
Ensemble selon la revendication 3, dans lequel l’aube est à profil symétrique.
Ensemble selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la partie amont (19) des moyens de séparation (14) s’étend selon un axe (X19) et dans lequel, une première distance (L31) entre une enveloppe de la partie amont (19) et une paroi du premier ou du second conduit annulaire (16, 18) représente entre 1% et 50% d’une deuxième distance (L19) entre l’axe (X19) et ladite paroi.
Ensemble selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel les moyens de séparation (14) comprennent une paroi de séparation (20) s’étendant depuis un bord de fuite (21) de ladite partie amont (19).
Ensemble selon la revendication 6, dans lequel la paroi de séparation (20) est de forme coudée.
Ensemble selon la revendication 2 et la revendication 6 ou 7, dans lequel le canal annulaire d’écoulement d’air (22) présente une portion annulaire radiale (25), une portion annulaire axiale (26) et une portion annulaire coudée (30) de jonction de la portion annulaire radiale (25) à la portion annulaire axiale (26), la partie amont (19) des moyens de séparation (14) s’étendant au moins dans la portion annulaire radiale (25), et la paroi de séparation (20) s’étendant au moins dans la portion annulaire coudée (30).
Ensemble selon la revendication 8, la portion annulaire axiale (26) s’étendant sur une longueur H1 et la paroi de séparation (20) comprenant une extrémité aval (27) des moyens de séparation (14) séparée d’une extrémité aval (28) du canal annulaire d’écoulement d’air (22) par une distance D1 comprise entre 10% et 100% de la longueur H1.
Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une extrémité amont (23) des moyens de séparation (14) est agencée en amont des premier et second conduits annulaires (16, 18).
Ensemble selon la revendication 10, un bord de fuite (24) du rotor (50) étant séparé des premier et second conduits annulaires (16, 18) d’une distance H2, dans lequel l’extrémité amont (23) est agencée à une distance D2 mesurée à partir du bord de fuite (24), D2 étant compris entre 1% et 100% de la distance H2.
Turbine comprenant un ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes.