FR2636375A1 - Anneau de renforcement pour etage a basse pression d'un compresseur - Google Patents
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Abstract
Un compresseur axial 10 pour un moteur à réaction du type à double flux comporte un étage à basse pression 12 comportant un anneau de renforcement 38 en une pièce monté sur le plan aérodynamique 30 de chacune des aubes 14 du rotor dans l'étage à basse pression de manière à diviser le courant d'air entrant dans le compresseur en un trajet extérieur de dérivation et un trajet intérieur dirigé vers les étages à haute pression du compresseur. L'anneau de renforcement est constitué de fibres parallèles, circonférentiellement enroulées, par exemple de fibres en carbure de silicium encastrées dans une matrice métallique telle que le titane, où le rapport en volume est environ un tiers de fibres et deux tiers de matrice métallique. Application aux compresseurs de moteurs à réaction.
Description
La présente invention concerne les compresseurs pour moteurs à réaction
et, plus particulièrement, un étage à basse pression dans un compresseur pour un moteur à réaction du type à double flux comportant un anneau de renforcement continu, en une pièce, monté entre la racine et la pDinte du
plan aérodynamique de chaque aube du rotor de l'étage.
On utilise généralement des compresseurs axiaux dans les moteurs à réaction du type à double flux pour fournir de l'air comprimé à la chambre de combustion. Ces compresseurs sont généralement des ensembles à étages multiples dans lesquels chaque étage est constitué d'un groupe ou rangée d'aubes de rotor reliées au disque du rotor et d'une rangée
contiguë d'aubes de stator montées sur le corps du compres-
seur. Les étages du compresseur fonctionnent en série de manière à augmenter progressivement la pression du courant d'air les traversant vers l'arrière pour injection dans la
chambre de combustion.
Dans les moteurs à réaction du type à double flux, seule une partie de l'air entrant dans l'extrémité antérieure du compresseur traverse ses étages à haute pression. Le reste de l'air est canalisé autour des étages à haute pression du
compresseur et est ensuite mîlangé dans le système d'échap-
pement avec l'air à haute pression avant de passer dans la
tuyère de propulsion du moteur.
Pour augmenter les performances aérodynamiques des -2 compresseurs axiaux pour moteurs à réaction du type à double
flux, un dispositif de fractionnement de courant est quelque-
fois monté sur le plan aérodynamique des aubes du rotor dans un étage à basse pression du compresseur entre la racine et la pointe du plan. Le but du dispositif de fractionnement est de dévier l'écoulement d'air à l'admission ou extrémité antérieure du compressur pour le faire entrer dans un courant d'air de dilution, à faible pression, qui est canalisé autour des étages à haute pression du compresseur, et dans le courant d'air intérieur, à haute pression, qui passe dans les étages à haute pression du compresseur. Ce fractionnement ou stratification du courant d'air permet d'augmenter les performances aérodynamiques du moteur et donc d'abaisser la
consommation du carburant.
Dans la technique antérieure, les dispositifs de fractionnement montés sur le plan aérodynamique des aubes du rotor dans les étages à basse pression d'un compresseur se sont présentés sous la forme d'anneaux de renforcement à "étendue partielle", c'est-à-dire de sections en forme d'arc, de courte longueur, d'alliages métalliques soudés ou sinon fixés définitivement au plan dynamique de chaque aube dans l'étage à basse pression. Les extrémités de l'anneau de renforcement à étendue partielle d'un plan aérodynamique sont en aboutement avec les extrémités de l'anneau de renforcement à étendue partielle des plans aérodynamiques contigus de sorte que les anneaux forment autour de l'étage du rotor une boucle essentiellement continue, en anneau. On conçoit les extrémités en aboutement des anneaux de renforcement de manière à créer un joint entre eux et limiter les fuites d'air entre les trajets intérieur et extérieur d'écoulement
formés par les anneaux.
Les aubes du stator dans l'étage à basse pression du compresseur contiguës aux aubes du rotor comportent également des anneaux de renforcement d'une construction semblable à celle des aubes du rotor. On réalise tant les anneaux de -3- renforcement à étendue partielle des aubes du rotor que les anneaux de renforcement des aubes du stator de façon qu'ils soit en contact le long de leurs bords circonférentiels, en regard, de manière à créer un joint entre eux. Ce joint circonférentiel entre les aubes tournantes du rotor et les aubes fixes du stator est destiné à limiter encore les fuites d'air entre le trajet intérieur d'écoulement de l'air et le trajet extérieur d'écoulement de l'air, ou air de dilution,
dans le compresseur.
En dépit des avantages aérodynamiques qu'ils présen-
tent, les anneaux de renforcement du type décrit ci-dessus souffrent de quelques inconvénients mécaniques. Chaque anneau de renforcement à étendue partielle constitue essentiellement un poids mort sur le plan aérodynamique et la charge centrifuge due à la rotation des aubes du rotor aux hautes
vitesses provoque une contrainte de flexion élevée à l'inter-
face entre anneau et plan aérodynamique, d'o la création de contraintes locales élevées dans le plan aérodynamique. Les charges centrifuges dues aux anneaux sont transférées à leur
tour, par l'intermédiaire des plans aérodynamiques, directe-
ment au disque du rotor, ce qui a pour effet d'augmenter le
poids global de la structure de ce dernier.
Les forces centrifuges élevées appliquées aux anneaux par la rotation du rotor produisent des contraintes de flexion élevées dans les anneaux euxmemes et sont donc à
l'origine de déviations relativement importantes des anneaux.
Le mouvement relatif ou déviation de l'anneau monté sur le plan aérodynamique de l'aube du rotor par rapport à l'anneau monté sur le plan aérodynamique d'une aube adjacente du rotor permet le passage de l'air entre eux. Cela a pour effet de diminuer les performances aérodynamiques, c'est-à-dire le fractionnement de l'air entrant dans le compresseur en un écoulement extérieur à basse pression ou écoulement de dilution et un écoulement intérieur ou de haute pression dans
les étages à haute pression du compresseur.
- 4 - Le passage de l'air entre le trajet de l'écoulement de l'air à haute pression traversant le compresseur et le trajet de l'écoulement de l'air de dilution à basse pression peut également se produire le long des bords circonférentiels en contact des anneaux de renforcement à étendue partielle montés sur la rangée d'aubes du rotor et les anneaux de renforcement conjugués montés sur la rangée contiguë d'aubes du stator dans l'étage à basse pression du compresseur. Une telle déviation relative est généralement produite par la
charge centrifuge et le "dévrillement" des plans aérodynami-
ques, c'est-à-dire la tendance qu'a un plan dynamique de se redresser sous l'effet des charges centrifuges élevées. Ce dévrillement peut avoir pour conséquence le "verrouillage" des surfaces en contact de l'anneau de renforcement des aubes du rotor et des aubes du stator et par conséquent le frottement des unes contre les autres, d'o le développement
de contraintes supplémentaires dans les anneaux de renforce-
ment et éventuellement la fatigue de leurs surfaces en contact. Par conséquent, la présente invention a parmi ses objets un étage à basse pression dans un compresseur pour moteur à réaction du type à double flux comportant un anneau de renforcement pour diviser l'écoulement de l'air entrant dans le compresseur en un trajet extérieur d'écoulement de
l'air, ou air de dilution, et un trajet intérieur d'écoule-
ment de l'air à travers les étages à haute pression du compresseur, qui réduise les contraintes agissant sur les plans aérodynamiques des aubes du rotor, qui n'ajoute qu'un poids minimal à l'étage du rotor, qui produise un joint effectif dans l'étage du rotor, qui produise un joint effectif entre les aubes du rotor et celles du stator de l'étage à basse pression du compresseur, qui résiste à la flexion en réponse aux charges centrifuges et qui soit exempt
des contraintes de contact au droit des surfaces.
On atteint ces objets dans un anneau de renforcement -5- pour les plans aérodynamiques des aubes d'un rotor dans l'étage à basse pression d'un compresseur dans un moteur à réaction du type à double flux, celui-ci formant un anneau de renforcement continu, en une pièce, en matériau composite constitué de fibres allongées encastrées dans une matrice métallique. Le plan aérodynamique de chaque aube du rotor de l'étage à basse pression du compresseur présente une encoche s'étendant vers l'intérieur à partir de son bord postérieur en étant sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal du plan aérodynamique. L'anneau de renforcement est supporté à l'intérieur de chaque encoche des plans aérodynamiques et
fixé à ceux-ci par brasage à l'aluminium. Le bord circonfé-
rentiel arrière de l'anneau de renforcement comporte une lèvre d'étanchéité qui est en contact avec une surface de l'anneau de renforcement du stator reliée au bord antérieur de chaque plan aérodynamique dans la rangée contiguë des aubes du stator à l'intérieur de l'étage à basse pression du compresseur. L'anneau de renforcement en une pièce, léger, de la présente invention présente plusieurs avantages mécaniques par rapport aux anneaux de renforcement à étendue partielle qu'on emploie dans la technique antérieure. La construction annulaire, continue, de l'anneau le rend essentiellement auto-porteur sur les plans aérodynamiques des aubes du rotor ; c'est-à-dire qu'un poids minimum est ajouté à un plan aérodynamique quelconque par l'anneau car il constitue une structure annulaire continue au lieu d'un certain nombre d'anneaux individuels à étendue partielle montés chacun sur un plan aérodynamique comme dans l'art antérieur. Il en résulte que très peu de contraintes supplémentaires, voire aucune contrainte, sont développées à l'interface entre plan aérodynamique et anneau de renforcement dues aux forces
centrifuges appliquées par la structure tournante du rotor.
Il en résulte que le poids global du rotor n'augmente pas car aucune charge supplémentaire n'est transférée des plans - 6 - aérodynamiques au disque du rotor. De plus, l'anneau continu élimine tous les joints entre les extrémités en aboutement de l'anneau adjacent de renforcement du stator. De tels joints
avaient pour effet de limiter la possibilité d'étanchéifica-
tion des étages à basse pression, équipés d'anneaux de
renforcement, des compresseurs.
D'autres avantages de l'anneau de renforcement continu de la présente invention sont dus à la construction composite armée de fibres. Dans le mode de réalisation actuellement préféré, la structure de l'anneau est constituée de fibres en
carbure de silicium encastrées dans une matrice de titane.
Les fibres sont enroulées dans une direction circonféren-
tielle, parallèlement les unes aux autres, afin de constituer la forme annulaire. La fraction volumique du matériau
composite constituant l'anneau de renforcement est de préfé-
rence d'environ 2/3 du matériau de la matrice en titane et
d'1/3 des fibres de carbure de silicium. Avec cette construc-
tion, l'anneau de renforcement résiste aux températures et à la fatigue et ne subit qu'une déviation relativement limitée sous l'effet des forces centrifuges et de la charge thermique
appliquées par la rotation des aubes du rotor et des tem-
pératures des gaz en résultant.
Dans la réalisation des rotors de pointe, leurs aubes et le disque forment un ensemble en une pièce, ou, en variante, les aubes sont soudées au disque. La déviation des aubes et du disque du rotor dans le sens radial de l'extérieur en réponse aux forces centrifuges et à la charge thermique est minimale et peut être adaptée ou rendue égale à la déviation radiale totale de l'anneau de la présente invention. Il en résulte qu'une faible charge centrifuge, voire aucune charge, est appliquée par l'anneau au plan aérodynamique et/ou au disque du rotor. Cela a pour effet de réduire les contraintes agissant sur les plans aérodynamiques
et sur le disque du rotor.
La suite de la description se réfère aux figures
-7- annexées qui représentent respectivement: figure 1, un vue en perspective, en partie en coupe, d'un compresseur pour un moteur à réaction du type à double flux comprenant un étage à basse pression dans lequel l'anneau de renforcement de la présente invention est monté
sur les plans aérodynamiques des aubes du rotor, et compor-
tant également un étage intermédiaire; figure 2, une vue en perspective dans l'état non assemblé, d'une partie de l'étage du rotor et de l'anneau de renforcement, figure 3, une vue en coupe d'une partie de l'étage à rotor à basse pression, représentant la liaison par joint entre l'anneau de renforcement et un anneau des aubes du stator, et figure 4, une vue du bord arrière d'une aube de rotor, représentant la liaison brasée entre l'anneau de renforcement
et le plan aérodynamique de l'aube du rotor.
En liaison maintenant avec la figure 1, on a repré-
senté schématiquement un compresseur axial 10 pour un moteur à réaction. Le compresseur axial 10 comprend un étage 12 à basse pression comportant une rangée d'aubes 14 de rotor espacées circonférentiellement les unes des autres qui sont supportées par un disque 16 et une rangée contiguë d'aubes 18 de stator espacées circonférentiellement les unes des autres et supportées par l'enveloppe extérieure 20 du compresseur 10. Dans un mode de réalisation ayant actuellement la préférence, les aubes 14 du rotor sont soit en une pièce avec le disque 16, par exemple à la suite d'une opération d'usinage d'un morceau de matériau, soit soudées au disque
16.
Le compresseur comporte aussi des étages supplémen-
taires à haute pression en aval de l'étage 12 à basse pression. En figure 1 on a représenté schématiquement, à des fins d'illustration, un étage intermédiaire 22 qui comprend une rangée d'aubes de rotor 24 espacées circonférentiellement 8- les unes des autres et montées sur. un disque 25 de rotor et
une rangée contiguë d'aubes 26 de stator espacées circonfé-
rentiellement les unes des autres et montées sur- l'enveloppe intérieure 27 du compresseur espacée de l'enveloppe 20 dans
la direction radiale de l'intérieur.
En liaison maintenant avec les figures 1 et 2, chaque aube 14 du rotor de l'étage 12 à basse pression comprend une racine 28 montée sur le disque 16, un plan aérodynamique 30 s'étendant radialement à l'extérieur de la racine 28 et une extrémité 32 S'étendant en étant étroitementcontigUe à l'enveloppe du compresseur. Chaque aube 14 du rotor présente une encoche 34 dans son plan aérodynamique 30 qui s'étend dans la direction axiale de l'intérieur à partir du bord arrière 36
du plan aérodynamique 30 tout en étant pratiquement perpendi-
culaire à son axe longitudinal.
Les encoches 34 formées dans le plan aérodynamique 30 de chaque aube 14 du rotor sont destinées au montage d'un
anneau continu 38 de renforcement qui s'étend circonféren-
tiellement autour de la totalité de la rangée ou étage des aubes 14 du rotor. Comme représenté en figure 2, l'anneau 38 est constitué d'une multitude de fibres parallèles, enroulées circonférentiellement, par exemple de fibres 40 en carbure de silicium qui sont encastrées dans une matrice métallique 42 telle que le titane. Dans le mode de réalisation préféré, l'anneau 38 comprend approximativement un tiers de fibres 40 en carbure de silicium et deux tiers de la matrice de titane
42 en volume.
L'anneau de renforcement 38 présente une surface extérieure 44, une surface intérieure 46, une extrémité antérieure 48 s'étendant à l'intérieur des encoches 34 des aubes 14 du rotor et une extrémité postérieure 50 s'étendant
axialement à partir du bord arrière 36 des plans aérodynami-
ques 30 des aubes 14. L'extrémité postérieure 50 comporte un évidement 52 s'étendant circonférentiellement qui se termine au droit d'une extrémité d'étanchéité 54. Comme représenté en - 9 - figure 3, l'anneau 38 est monté sur les aubes 14 du rotor par un matériau de brasage en aluminium formant des soudures 43, à la surface extérieure 44 et à la surface intérieure 46,
respectivement, de l'anneau.
Comme représenté en figures 1 et 3, sur chaque aube 18 du stator de l'étage 12 à basse pression du compresseur 10 est formé un anneau de renforcement 58 pour stator en métal coulé ou analogue. L'anneau 58 de renforcement du stator
s'étend vers l'avant à partir du bord antérieur de l'enve-
loppe intérieure 27 du compresseur et présente une lèvre circonférentielle 60, avant, placée en étant contiguë à
l'extrémité d'étanchéité 50 de l'anneau 38. (voir figure 1).
La fonction de l'anneau de renforcement 38 et de l'anneau de renforcement 58 est de dévier ou fractionner le courant d'air entrant dans le compresseur axial 10 pour la faire passer dans un trajet extérieur 62 s'étendant entre l'enveloppe intérieure 27 du compresseur et l'enveloppe extérieure 20 du compresseur, et dans un trajet intérieur 64
s'étendant radialement vers l'intérieur par rapport à l'enve-
loppe intérieure 27 du compresseur. Le trajet extérieur 62 du courant d'air forme un trajet de dérivation pour une partie de ce courant qui conduit jusqu'à la tuyère d'échappement située en aval (non représentée). L'air dévié dans le trajet intérieur 64 par l'anneau 38 entre dans les étages à haute pression du compresseur 10 tels que l'étage intermédiaire 22 représenté schématiquement en figure 1 en aval de l'étage 12 à basse pression. La position de l'extrémité d'étanchéité 54 de l'anneau de renforcement 38 par rapport au bord antérieur de l'anneau 58 limite les fuites d'air entre les trajets intérieur et extérieur 64, 62 du courant d'air, ce qui
améliore les performances aérodynamiques du compresseur 10.
Un avantage important offert par l'anneau de renforce-
ment 38 de la présente invention est que sa construction continue le rend essentiellement auto-porteur à l'intérieur des encoches 34 des aubes 14 du rotor. "Un poids mort" très
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faible est ajouté à chaque plan aérodynamique 30 des aubes du rotor, et cela a pour effet de réduire les contraintes appliquées par l'anneau 38 aux aubes 14 pendant la rotation
du disque 16.
De plus, les forces centrifuges appliquées à l'anneau de renforcement 38 ont tendance à le faire dévier dans la direction radiale de l'extérieur, mettant sous tension les fibres 40,qui sont enroulées circonférentiellement autour de l'anneau 38. Les fibres 40 en carbure de silicium qui constituent l'anneau de renforcement 38 sont extrêmement solides en tension et par conséquent la rigidité de l'anneau 38 est élevée. Il en résulte que le déplacement limité que l'anneau de renforcement 38 subit est approximativement égal
au mouvement dirigé radialement vers l'extérieur, ou dévia-
tion, des aubes 14 du rotor et de son disque 16 en réponse à
l'application des forces centrifuges et de la charge thermi-
que, et par conséquent des contraintes de flexion nettes de faible valeur, voire aucune contrainte, sont appliquées par l'anneau 38 aux plans aérodynamiques 30 des aubes 14. De plus, la déviation limitée de l'anneau 38 réduit son mouvement par rapport à l'anneau 58 de renforcement du stator monté sur ses aubes 18. Cela permet d'améliorer la liaison étanche entre l'extrémité 54 de l'anneau 38 et le bord
antérieur 60 de l'anneau de renforcement 58 du stator.
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Claims (10)
1. Dispositif pour diviser le courant d'air entrant dans l'étage à basse pression (12) du compresseur (10) d'un moteur à réaction, caractérisé en ce qu'il comprend: un anneau (38) de renforcement continu, en une pièce, se montant à l'intérieur d'une encoche (34) ménagée à un emplacement situé entre la racine (28) et l'extrémité du plan aérodynamique (30) de chaque aube (14) du rotor dans l'étage à basse pression du compresseur du moteur; cet anneau de renforcement formant un trajet extérieur (62) d'écoulement d'une partie de l'air entrant dans le compresseur de manière à contourner les étages à haute
pression du compresseur, et un trajet intérieur (64) d'écou-
lement d'air pour une autre partie de l'air entrant dans le compresseur pour qu'il pénètre dans ses étages à haute pression.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau de renforcement (38) est constitué d'une
multitude de fibres (40) pratiquement parallèles, circonfé-
rentiellement enroulées, encastrées dans une matrice métal-
lique (42).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres (40) sont des filaments en carbure de silicium.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en
ce que la matrice métallique (42) est du titane.
5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres (40) constituent environ un tiers du volume de l'anneau de renforcement et la matrice métallique (42)
forme environ deux tiers du volume de cet anneau.
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage à basse pression (12) du compresseur (10)
comprend une rangée d'aubes de stator (18) espacées circonfé-
rentiellement les unes des autres, distantes axialement des aubes (14) du rotor, un anneau (58) de renforcement du stator
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étant monté sur chacune des aubes du stator, l'anneau de
renforcement (38) du rotor présentant une extrémité d'étan-
chéité (54) s'étendant circonférentiellement et destinée à venir en contact avec une surface (60) de l'anneau de renforcement (58) du stator monté sur ses aubes de manière à rendre étanche le trajet extérieur d'écoulement (62) par
rapport au trajet intérieur (64).
7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau (38) de renforcement du rotor comporte une surface supérieure (44) et une surface inférieure (46), cet anneau étant monté à l'intérieur de l'encoche (34) du plan aérodynamique (30) des aubes du rotor par une soudure (43, ) sur ces deux surfaces de l'anneau, les soudures étant
constituées d'un matériau de brasage à l'aluminium.
8. Etage à basse pression (12) d'un compresseur (10) dans un moteur à réaction, caractérisé en ce qu'il comprend: une rangée annulaire d'aubes (14) de rotor espacées circonférentiellement les unes des autres, s'étendant dans la direction radiale de l'extérieur du disque (16) du rotor vers l'enveloppe (20) du compresseur d'un moteur à réaction, chaque aube du rotor présentant un plan aérodynamique (30) dans lequel une encoche (34) est pratiquée sur son bord postérieur (36) qui est radialement espacé du disque, un anneau (38) de renforcement continu, en une pièce, fixé dans l'encoche de chacune des aubes du rotor, une rangée annulaire d'aubes espacées (18) de stator s'étendant dans le sens radial de l'intérieur à partir de l'enveloppe du compresseur vers le disque du rotor, un anneau (58) de renforcement du stator étant monté sur ses aubes dans une position permettant un contact étanche avec l'anneau de
renforcement monté sur les aubes du rotor.
9. Etage selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'anneau (38) de renforcement du rotor est constitué d'une multitude de fibres (40) sensiblement parallèles, enroulées circonférentiellement, encastrées dans une matrice
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métallique (42).
10. Etage selon la revendication 9, caractérisé en ce que les fibres (40) constituent environ un tiers du volume de l'anneau de renforcement, et la matrice métallique (42) forme environ deux tiers du volume.
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