FR3149650A1 - Traitement de carter non axisymétrique avec plenum ondulé - Google Patents

Traitement de carter non axisymétrique avec plenum ondulé Download PDF

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Abstract

Traitement de carter non axisymétrique avec plenum ondulé Un carter de compresseur de turbomachine (300) comprend une paroi annulaire interne (111) et une paroi annulaire externe (121) délimitant entre elles une cavité annulaire (130), la cavité annulaire s’étendant suivant une direction axiale (DA) entre un fond avant (131) et un fond arrière (132) et suivant une direction radiale (DR) entre une face interne (1210) de la paroi annulaire externe et une face externe (1111) de la paroi annulaire interne. La paroi annulaire interne du carter comprend une pluralité de fentes (115) débouchant dans la cavité annulaire (130), les fentes étant disposées les unes à côté des autres suivant une direction circonférentielle (DC). La face interne (1210) de la paroi annulaire externe (120) comporte des portions concaves et des portions convexes disposées en alternance suivant la direction circonférentielle de manière à définir dans la cavité interne (130) des ondulations (140) suivant ladite direction circonférentielle (DC). Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Traitement de carter non axisymétrique avec plenum ondulé
La présente invention se rapporte au domaine général des compresseurs de turbomachines, et plus particulièrement au traitement du carter des compresseurs de turbomachines.
Les compresseurs de turbomachine sont constitués d’aubes mues en rotation à l’intérieur d’un carter qui assure l’étanchéité de la veine d’air avec l’extérieur du moteur.
Il est connu que le jeu existant entre les extrémités des aubes mobiles du compresseur et le carter formant la paroi interne de la veine d’écoulement de l’air dégrade le rendement du moteur de la turbomachine.
De plus, ce jeu peut modifier et dégrader le fonctionnement du compresseur jusqu’à l’apparition d’un phénomène de pompage qui résulte du décrochage du flux d’air de la surface des aubes. Le contrôle de la circulation de l’air à l’extrémité des aubes constitue un enjeu majeur pour obtenir à la fois un bon rendement aérodynamique du compresseur et une marge suffisante contre le phénomène de pompage.
Afin de limiter l’impact de cet écoulement parasite entre l’extrémité des aubes et le carter, on peut traiter localement la surface interne du carter en y creusant des fentes disposées dans l’épaisseur du carter en regard des aubes. Les traitements de carter considérés dans la présente invention sont de type « fentes axiales » correspondant à une série de fentes disposées le long de la circonférence du carter (dans la direction azimutale). Ces fentes sont situées à la verticale (« au-dessus ») d’une roue de compresseur. Ces traitements sont donc non axisymétriques par rapport à l’axe de rotation du compresseur : il s’agit donc de traitement de carter non axisymétrique ou TCNA.
La présence de ces fentes va modifier localement l’écoulement. L’objectif est d’influencer l’apparition des mécanismes responsables du départ en pompage du compresseur. Un traitement de carter efficace va augmenter la plage d’opérabilité du compresseur en retardant l’apparition de ces mécanismes, en particulier en diminuant le blocage aérodynamique en tête de roue.
Certains concepts de TCNA proposent l’ajout d’une cavité annulaire ou « plenum » dans le carter comme décrit par exemple dans le document WO9420759, ce qui revient à ajouter une cavité au-dessus des fentes. Cette cavité s’étend sur la totalité de la circonférence du carter et relie les fentes entre elles. Cette cavité n’est pas directement ouverte sur la veine et n’est pas reliée à un circuit d’air secondaire. Le fluide doit passer par les fentes pour entrer et sortir de la cavité. L’ajout du plénum a tendance à amplifier la capacité du TCNA à augmenter la marge au pompage.
La cavité annulaire est utile pour permettre à une fraction de fluide de pouvoir être prélevée par une fente et être réinjectée par des fentes différentes, ce qui améliore l’efficacité du traitement de carter (par rapport à un traitement de carter sans cavité annulaire). Cependant, ce mécanisme n’est pas optimal car la réinjection est distribuée entre plusieurs fentes et certaines de ces fentes ne sont pas en bonne position par rapport au rotor au moment de la réinjection.
Il est, par conséquent, souhaitable de pouvoir mieux piloter les zones de prélèvement et de réinjection au niveau des fentes.
A cet effet, l’invention propose un carter de compresseur de turbomachine comprenant une paroi annulaire interne et une paroi annulaire externe délimitant entre elles une cavité annulaire, la cavité annulaire s’étendant suivant une direction axiale entre un fond avant et un fond arrière et suivant une direction radiale entre une face interne de la paroi annulaire externe et une face externe de la paroi annulaire interne, la paroi annulaire interne du carter comprenant une pluralité de fentes débouchant dans la cavité annulaire, les fentes étant disposées les unes à côté des autres suivant une direction circonférentielle, les fentes s’étendant en longueur suivant un axe longitudinal entre le fond avant et le fond arrière suivant la direction axiale,
caractérisé en ce que la face interne de la paroi annulaire externe en regard de la pluralité de fentes de la paroi annulaire interne comporte des portions concaves et des portions convexes disposées en alternance suivant la direction circonférentielle de manière à définir dans la cavité interne des ondulations suivant ladite direction circonférentielle, les portions concaves et les portions convexes s’étendant chacune entre le fond avant et le fond arrière de la cavité interne suivant une direction longitudinale,
en ce que ladite direction longitudinale forme un angle non nul avec l’axe longitudinal des fentes,
ou en ce que ladite direction longitudinale est parallèle à l’axe longitudinal des fentes, chaque ondulation s’étendant dans ce cas suivant la direction circonférentielle sur deux ou plusieurs fentes adjacentes.
Dans le cas où les portions concaves et les portions convexes s’étendent chacune entre le fond avant et le fond arrière de la cavité interne suivant une direction longitudinale formant un angle non nul avec l’axe longitudinal des fentes, les portions concaves formant des canaux de circulation pour l’écoulement dans la cavité interne permettent de décaler la zone de prélèvement et la zone de réinjection du fluide au niveau des fentes. En fonction de la valeur de l’angle, il est possible de déterminer la ou les fentes à partir desquelles le fluide est prélevé dans la cavité interne et la ou les fentes depuis lesquelles le fluide est réinjecté.
Dans le cas où les portions concaves et les portions convexes s’étendent chacune entre le fond avant et le fond arrière de la cavité interne suivant une direction longitudinale parallèle avec l’axe longitudinal des fentes et avec chaque ondulation s’étendant suivant la direction circonférentielle sur deux ou plusieurs fentes adjacentes, il est également possible d’avoir un échange entre plusieurs fentes adjacentes dans un même canal de circulation pour l’écoulement dans la cavité interne et de décaler la zone de prélèvement et la zone de réinjection du fluide au niveau des fentes.
Grâce à la présence d’ondulations, il est possible de mieux contrôler le trajet de l’écoulement dans la cavité annulaire. Le guidage de l’écoulement par les ondulations dans la cavité interne permet d’optimiser le fonctionnement du traitement de carter non axisymétrique (TCNA). En effet, il est ainsi possible de contrôler la ou les fentes par lesquelles une fraction de l’écoulement est réinjecté et, par conséquent, le moment de la réinjection par rapport à la position du rotor, ce qui permet d’augmenter le gain de marge au pompage. Le fonctionnement du TCNA est également optimisé par la diminution des pertes de pression lors de la circulation dans la cavité interne en limitant la migration azimutale de l’écoulement prélevé.
L’angle non nul formé entre la direction longitudinale des portions concaves et des portions convexes et l’axe longitudinal des fentes est compris entre -60° et +60°, préférentiellement entre -40° et +40°.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention dans le cas d’un angle non nul formé entre la direction longitudinale des portions concaves et des portions convexes et l’axe longitudinal des fentes, chaque portion concave présente une largeur au moins égale à une largeur d’une fente de la paroi annulaire interne.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention dans le cas d’un angle non nul formé entre la direction longitudinale des portions concaves et des portions convexes et l’axe longitudinal des fentes, le nombre d’ondulations présentes sur la face interne de la paroi externe est compris entre 0,1 et 1 fois le nombre de fentes présentes dans la paroi annulaire interne.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’amplitude des ondulations formées par les portions concaves et les portions convexes disposées en alternance suivant la direction circonférentielle est comprise entre 0,2 et 5 fois la hauteur des fentes de la paroi annulaire interne.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le carter comprend un anneau de traitement comportant la paroi annulaire interne et un anneau maître comportant la paroi annulaire externe, l’anneau de traitement étant fixé sur l’anneau maître.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’anneau de traitement et l’anneau maître sont en un même matériau.
L’invention concerne également un compresseur de turbomachine comprenant un carter selon l’invention.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.
La est une vue schématique en perspective d’un compresseur de turbomachine selon un mode de réalisation de l’invention,
La est une vue schématique et partielle montrant des ondulations présentes sur la face interne de l’anneau maître du compresseur de la ,
La est vue schématique et partielle du carter du compresseur de la ,
La est une vue en coupe radiale selon le plan de coupe IV-IV sur le carter de la ,
La est une vue en coupe radiale selon le plan de coupe V-V sur le carter de la .
La représente un compresseur de turbomachine 300 selon un mode de réalisation de l’invention. Le compresseur 300 comprend autour de son axe A300un rotor 200 équipé une pluralité d’aubes mobiles 210 entourées par un carter 100.
Le carter 100 comprend un anneau de traitement 110 et un anneau maître 120 qui est structural. Dans l’exemple décrit ici, l’anneau de traitement 110 comporte une bride 116 qui est fixée sur une bride 126 de l’anneau maître 120.
Comme illustré de manière schématique et partielle sur la , l’anneau maître 120 comprend une paroi annulaire externe 121 tandis que l’anneau de traitement 110 comprend une paroi annulaire interne 111 en regard de la paroi annulaire externe 121. La paroi annulaire interne 111 et la paroi annulaire externe 121 s’étendent chacune en longueur suivant une direction circonférentielle DC, en largeur suivant une direction axiale DAcorrespondant à l’axe du compresseur 300 et en épaisseur suivant une direction radiale DR. La paroi annulaire interne 111 et la paroi annulaire externe 121 délimitent entre elles une cavité annulaire 130 formant un plenum. La cavité annulaire interne 130 s’étend suivant la direction axiale DAentre un fond avant 131 et un fond arrière 132 et suivant la direction radiale DRentre une face interne 1210 de la paroi annulaire externe 121 et une face externe 1111 de la paroi annulaire interne 111.
La paroi annulaire interne 111 comprend une pluralité de fentes 115 creusées (ou découpées) dans l’épaisseur de la paroi, chaque fente 115 débouche à la fois sur une face interne 1110 et sur la face externe 1111 de la paroi annulaire interne 111 de manière à mettre en communication une veine d’écoulement E avec la cavité annulaire 130, la flèche E indiquant le sens de l’écoulement dans le compresseur et, par conséquent, les côtés amont et aval de celui-ci.
Les fentes 115 sont disposées uniformément les unes à côté des autres dans la paroi annulaire interne 111 suivant la direction circonférentielle DC. Chaque fente 115 s’étend en longueur suivant un axe longitudinal A115sur une longueur déterminée L115et en hauteur suivant la direction radiale DRsur une hauteur H115. Dans l’exemple décrit ici l’axe longitudinal A115des fentes 115 est parallèle à la direction axiale DA. Il peut toutefois former un angle avec la direction axiale DAcompris entre -60° et +60°.
Dans l’exemple décrit ici, les fentes 115 sont inclinées de 45° par rapport à la direction radiale DR. Les fentes 115 peuvent être inclinées d’un angle différent de 45° ou être parallèles à la direction radiale DR.
De façon connue, les fentes 115 et la cavité annulaire 130 dans laquelle elles débouchent constituent un traitement de carter non axisymétrique ou TCNA qui permet de modifier localement l’écoulement afin de réduire les mécanismes responsables du départ en pompage du compresseur.
Conformément à l’invention, la face interne 1210 de la paroi annulaire externe 121 en regard de la pluralité de fentes 115 de la paroi annulaire interne 111 comporte des portions concaves 1212 et des portions convexes 1213 disposées en alternance suivant la direction circonférentielle DCde manière à définir dans la cavité interne 130 des ondulations suivant la direction circonférentielle DC(figures 2, 4 et 5).
Comme illustrées sur la , les portions concaves 1212 et les portions convexes 1213 s’étendent chacune entre le fond avant 131 et le fond arrière 132 de la cavité interne 130 suivant une direction longitudinale D140. Les portions concaves 1212 définissent des canaux de circulation permettant de canaliser l’écoulement dans la cavité interne 130.
Dans l’exemple décrit ici, la direction longitudinale des portions concaves 1212 et convexes 1213 forme un angle β140avec l’axe longitudinal A115 des fentes 115. L’angle β140est compris entre -60° et +60°, de préférence entre -40° et +40°. Les portions concaves formant des canaux de circulation pour l’écoulement dans la cavité interne, il est ainsi possible de décaler la zone de prélèvement et la zone de réinjection du fluide au niveau des fentes. En fonction de la valeur de l’angle β140, il est possible de déterminer la ou les fentes à partir desquelles le fluide est prélevé dans la cavité interne et la ou les fentes depuis lesquelles le fluide est réinjecté.
Un exemple de décalage entre la zone de prélèvement et la zone de réinjection dans la cavité interne est illustré sur les figures 4 et 5 qui correspondent à des coupes radiales du carter de la . Le plan de coupe de la se situe en amont du bord d’attaque 211 des aubes 210 du rotor 200 suivant la direction axiale et coupe les fentes 115 dans leur partie amont. Le plan de coupe de la se situe en aval du bord d’attaque 211 des aubes 210 du rotor 200 suivant la direction axiale et coupe les fentes 115 dans leur partie aval. Les fentes 1151à 1156représentées sur les figures 4 et 5 correspondent aux mêmes fentes de la paroi annulaire interne 111. De même, la portion concave 12121représentée sur les figures 4 et 5 correspond à la même portion concave de la paroi annulaire externe 121 qui définit un canal de circulation 136. La portion concave 12121a une position azimutale différent entre les figures 4 et 5 en raison de l’angle β140formé entre la direction longitudinale D140des portions concaves et convexes et l’axe longitudinal A115des fentes qui est ici confondu avec la direction axiale DAcorrespondant à l’axe du compresseur 300 ( ). Dans l’exemple décrit ici, l’angle β140est d’environ 37°.
En raison de l’inclinaison de la portion concave 12121par rapport à l’axe longitudinal des fentes, une fraction FEde l’écoulement est prélevée par les fentes 1154et 1155comme représenté sur la . La fraction FEest alors canalisée dans le canal de circulation 136 pour être réinjectée dans la veine d’écoulement E par les fentes 1153et 1154comme représentée sur la . On voit ici que les portions concaves inclinées permettent de canaliser l’écoulement afin qu’il passe de la fente 1155à la fente 1153lors de son passage dans la cavité interne, c’est-à-dire avec décalage azimutal de deux fentes dans l’exemple ici considéré.
Chaque portion concave 1212 présente une largeur l1212au moins égale à une largeur l115des fentes 115 (figures 2 et 3).
L’amplitude des ondulations correspondant à la hauteur H1212des portions concaves 1212 est comprise entre 0,2 et 5 fois la hauteur H115des fentes 115 (figures 3 et 4).
Le nombre d’ondulations est compris entre 0,1 et 1 fois le nombre de fentes 115 présentes sur l’anneau de traitement 110.
Le nombre de fentes 115 présentes sur l’anneau de traitement 110 est compris entre 2 et 10 le nombre d’aubes 210 du rotor 200. Le nombre de fentes peut être typiquement de 5 pour une aube.
L’anneau maître et l’anneau de traitement sont de préférence être réalisés en un même matériau ou en des matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique proche afin d’éviter des dilatations différentielles entre les deux anneaux pouvant conduire à des contraintes mécaniques et/ou des problèmes d’étanchéité dans le carter.
L’expression « compris(e) entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims (8)

  1. Carter (100) de compresseur de turbomachine (300) comprenant une paroi annulaire interne (111) et une paroi annulaire externe (121) délimitant entre elles une cavité annulaire (130), la cavité annulaire s’étendant suivant une direction axiale (DA) entre un fond avant (131) et un fond arrière (132) et suivant une direction radiale (DR) entre une face interne (1210) de la paroi annulaire externe et une face externe (1111) de la paroi annulaire interne, la paroi annulaire interne (111) du carter comprenant une pluralité de fentes (115) débouchant dans la cavité annulaire (130), les fentes étant disposées les unes à côté des autres suivant une direction circonférentielle (DC), les fentes s’étendant en longueur suivant un axe longitudinal (A115) entre le fond avant (131) et le fond arrière (132) suivant la direction axiale,
    caractérisé en ce que la face interne (1210) de la paroi annulaire externe (121) en regard de la pluralité de fentes (115) de la paroi annulaire interne (111) comporte des portions concaves (1212) et des portions convexes (1213) disposées en alternance suivant la direction circonférentielle de manière à définir dans la cavité interne (130) des ondulations (140) suivant ladite direction circonférentielle (DC), les portions concaves (1212) et les portions convexes (1213) s’étendant chacune entre le fond avant (131) et le fond arrière (132) de la cavité interne (130) suivant une direction longitudinale (D140), en ce que ladite direction longitudinale forme un angle (β140) non nul avec l’axe longitudinal (A115) des fentes (115), ou en ce que ladite direction longitudinale est parallèle à l’axe longitudinal des fentes, chaque ondulation s’étendant suivant la direction circonférentielle sur deux ou plusieurs fentes adjacentes.
  2. Carter selon la revendication 1, dans lequel l’angle (β140) non nul formé entre la direction longitudinale (D140) des portions concaves (1212) et des portions convexes (1213) et l’axe longitudinal (A115) des fentes (115) est compris entre -60° et +60°.
  3. Carter selon la revendications 2, dans lequel chaque portion concave (1212) présente une largeur (l1212) au moins égale à une largeur d’une fente (115) de la paroi annulaire interne (111).
  4. Carter selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le nombre d’ondulations présentes sur la face interne (1210) de la paroi externe (121) est compris entre 0,1 et 1 fois le nombre de fentes (115) présentes dans la paroi annulaire interne (111).
  5. Carter selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’amplitude des ondulations formées par les portions concaves (1212) et les portions convexes (1213) disposées en alternance suivant la direction circonférentielle (DC) est comprise entre 0,2 et 5 fois la hauteur (H115) des fentes (115) de la paroi annulaire interne (111).
  6. Carter selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant un anneau de traitement (110) comportant la paroi annulaire interne (111) et un anneau maître (120) comportant la paroi annulaire externe (121), l’anneau de traitement étant fixé sur l’anneau maître.
  7. Carter selon la revendication 6, dans lequel l’anneau de traitement et l’anneau maître sont en un même matériau.
  8. Compresseur de turbomachine (300) comprenant un carter (100) selon l’une quelconques des revendications 1 à 7.
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