FR2987875A1

FR2987875A1 - Generateurs de vortex places dans le canal inter-aubes d'un redresseur de compresseur.

Info

Publication number: FR2987875A1
Application number: FR1252159A
Authority: FR
Inventors: Agnes Claire Marie Pesteil; Vincent Paul Gabriel Perrot; Fatma Ceyhun Sahin
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2013-09-13
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: WO2013132190A1; FR2987875B1; US9879564B2; GB2514981A; GB201417704D0; US20150030439A1; GB2514981B

Abstract

Redresseur de compresseur d'une turbomachine comportant une pluralité d'aubes fixes (1) s'étendant circulairement entre une virole interne (5) et une virole externe concentriques et définissant des canaux inter-aubes formant une veine dans laquelle circule l'air à comprimer, ladite virole interne portant au moins un générateur de vortex (7) s'étendant à l'intérieur de la veine d'air pour réduire les tourbillons de coin, caractérisé en ce que ledit générateur de vortex est positionné axialement dans le canal inter-aubes, c'est-à-dire entre la position axiale du bord d'attaque des aubes et celles de leur bord de fuite.

Description

GÉNÉRATEURS DE VORTEX PLACÉS DANS LE CANAL INTER-AUBES D'UN REDRESSEUR DE COMPRESSEUR Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et, plus particulièrement, celui de l'aérodynamique interne à ces turbomachines. Une turbomachine pour un aéronef comprend généralement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz. A chaque compresseur peut correspondre une turbine, les deux étant reliés par un arbre, formant ainsi, par exemple, un corps haute pression et un corps basse pression. Un compresseur d'un turboréacteur est composé de plusieurs étages successifs de compression, chaque étage comportant deux ensembles à aubes, à savoir un rotor mobile et un redresseur fixe, ou stator. Le redresseur comporte, de façon usuelle, des aubes qui sont agencées côte à côte et qui s'étendent entre une virole interne et une virole externe coaxiales, auxquelles elles sont raccordées par leurs extrémités.

On constate fréquemment, en particulier sur les compresseurs chargés, comme c'est notamment le cas avec les compresseurs haute pression, la présence d'une zone de décollement 3D appelée « tourbillon de coin » qui se situe généralement à l'extrados des aubages de stator, au niveau de la virole interne, à partir de la mi-corde aval des aubes. Une vue schématique de ce tourbillon est donnée par la figure 1. L'effet de coin, qui est à l'origine de la création de ce tourbillon, est créé par les effets cumulés de gradients de pression dans le sens axial (augmentation de pression statique au passage des redresseurs) et dans le sens tangentiel (écoulement tendant à aller des fortes pressions à l'intrados vers les basses pressions à l'extrados des aubes adjacentes). Ces deux effets génèrent une accumulation de particules à faible énergie cinétique dans le coin formé par la paroi extrados de l'aube et le moyeu. Ceci génère un blocage aérodynamique qui dégrade le rendement du compresseur. Ces tourbillons sont par ailleurs néfastes quant à la résistance du compresseur aux phénomènes de pompage. Il est donc important d'essayer de réduire la taille, sinon les supprimer, de ces tourbillons de coin pour améliorer le rendement des compresseurs et accroître leur plage de stabilité.

Plusieurs améliorations ont ainsi été proposées, comme par exemple la demande de brevet W02008/046389 ou la demande FR 2960604 qui a été déposée par la demanderesse. Les solutions envisagées portent sur l'introduction de générateurs de vortex qui sont disposés sur la virole interne du compresseur, en amont des roues fixes ou mobiles. Les générateurs de vortex sont de petites ailettes fixées sur la virole interne et qui ont pour fonction de créer des tourbillons, ou vortex en anglais, dans la veine. Ces tourbillons permettent un transfert d'énergie de l'écoulement principal vers les couches limites, qui sont, de ce fait, accélérées. Comme ce sont les faibles vitesses en pied du stator qui sont responsables du tourbillon de coin, celui-ci est réduit. Dans ces deux améliorations, les générateurs de vortex sont intégrés à la plateforme du stator, en amont de l'aube. Dans une autre demande de brevet FR11/55158, la demanderesse a préconisé d'utiliser plusieurs générateurs de vortex étagés axialement en amont des aubages et décalés circonférentiellement les uns par rapport aux autres. L'efficacité de ces générateurs de vortex n'est sans doute pas optimale et il est souhaitable de chercher à encore l'améliorer.

La présente invention a pour but d'apporter des améliorations aux compresseurs fortement chargés de façon à encore mieux contrôler leurs tourbillons de coin et, par conséquent, à augmenter leurs rendements aérodynamiques.

A cet effet, l'invention a pour objet un redresseur de compresseur d'une turbomachine comportant une pluralité d'aubes fixes s'étendant circulairement entre une virole interne et une virole externe concentriques et définissant des canaux inter-aubes formant une veine dans laquelle circule l'air à comprimer, ladite virole interne portant au moins un générateur de vortex s'étendant à l'intérieur de la veine d'air pour réduire les tourbillons de coin, caractérisé en ce que ledit générateur de vortex est positionné axialement dans le canal inter-aubes, c'est- à-dire entre la position axiale du bord d'attaque des aubes et celle de leur bord de fuite. Ainsi le générateur de vortex est placé au début de la zone de décollement c'est-à-dire à une position optimum pour réduire le tourbillon de coin. Avantageusement le point le plus amont dudit générateur de vortex est positionné aux deux tiers +/- 10%, vers l'aval, de l'envergure axiale d des aubes. Ce point est généralement celui où débute la zone de décollement. Dans un mode préférentiel de réalisation le générateur de vortex a une forme plane triangulaire s'étendant perpendiculairement à ladite virole interne, ledit triangle comportant un côté curviligne s'étendant le long de ladite virole interne et ayant son sommet le plus proche de l'extrados positionné sur ladite virole interne. Cette forme en triangle qui s'élargit en s'éloignant de l'extrados correspond à l'extension progressive vers le haut de la zone de décollement. Avantageusement le générateur de vortex a la forme d'un triangle rectangle, l'angle droit étant situé du côté opposé à l'extrados de l'aube.

Préférentiellement la hauteur h dudit triangle, mesurée perpendiculairement à ladite virole externe, est comprise entre 2 et 15% de la hauteur de l'aube et/ou la longueur L du côté curviligne est égale à 2 fois +/-10%, la hauteur du triangle, mesurée perpendiculairement à ladite virole externe. Dans un mode particulier ledit générateur de vortex a une forme plane, orientée vers l'aval d'un angle de 20° +/- 5°, en s'éloignant dudit extrados, par rapport à la direction de l'écoulement en amont dudit redresseur. Avantageusement ledit sommet le plus proche de l'extrados est distant dudit extrados d'une distance égale à la hauteur (h) dudit triangle +/- 10%, mesurée perpendiculairement à ladite virole externe.

L'invention porte également sur un compresseur de turbomachine comportant au moins un redresseur tel que décrit ci-dessus et une turbomachine équipée d'un tel compresseur. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 représente de façon schématique une aube montée sur la virole interne d'un redresseur de compresseur ; - la figure 2 est une vue de face d'un ensemble de redresseurs de compresseurs, chacun étant muni d'un générateur de vortex selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique de la forme en plan d'un générateur de vortex selon l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique du positionnement d'un générateur de vortex sur la virole interne du compresseur, et - la figure 5 représente le gain apporté par deux générateurs de vortex, de tailles différentes, selon l'invention. En se référant à la figure 1, on voit une aube 1 d'un redresseur 2 qui fait partie d'un compresseur de turbomachine, en particulier d'un turboréacteur d'aéronef. Un compresseur comporte, de façon usuelle, plusieurs étages successifs de compression, chaque étage étant composé d'un rotor et d'un redresseur. Le redresseur 2 comporte une virole radialement externe (non représentée sur la figure) et une virole radialement interne 5, servent toutes deux de support aux aubes 1. Ces deux viroles sont concentriques, et une pluralité d'aubes 1 s'étendent, sensiblement radialement, de l'une vers l'autre et auxquelles elles sont solidarisées. Ces aubes 1 sont espacées sur la circonférence des viroles, préférentiellement de façon uniforme. Dans le cadre de la présente invention, les notions d'amont et aval sont définies par rapport au sens de l'écoulement principal de l'air dans le compresseur et les termes axial ou radial sont relatifs à l'axe de ce compresseur. Sur la figure 1, on a représenté par l'intermédiaire d'une flèche E le sens de l'écoulement principal de l'air pour une grille de stators fonctionnant à faible incidence, voisine de son optimum, et par l'intermédiaire de flèches F en traits fins les circulations locales de l'air au pied de l'aube 1, et sur les faces, intrados 3 ou extrados 4, de sa pale. Au pied de l'aube 1, sur son extrados 4 apparaît une zone 6 de décollement de coin. Cette zone ne démarre pas au niveau du bord d'attaque de l'aube mais plus en aval, sur la dernière partie de son intrados ou de son extrados En se référant maintenant à la figure 2 on voit, vues de l'aval, des aubes de compresseur fixées sur une virole interne 5 qui est choisie de forme plane pour une évaluation, sur un banc d'essais, de l'efficacité des générateurs de vortex. Au pied des extrados 4 des aubes 1, sur la virole interne 5, sont fixées des générateurs de vortex 7. Comme indiqué sur la figure 3, ceux-ci sont de forme triangulaire, s'étendant radialement, au sein de la veine d'air, à partir de la virole interne. Le triangle est un triangle rectangle dont le grand côté L, hors hypoténuse, s'étend le long de la virole interne alors que le petit côté ou hauteur h s'étend radialement à partir de cette virole. L'hypoténuse est, quant à elle, orientée en direction de la jonction entre la virole interne 5 et le pied de l'aube 1. La hauteur h est choisie de façon à être comprise entre 2 et 15%, préférentiellement entre 4 et 8 %, de la hauteur de l'aube (distance radiale entre les deux viroles externe et interne), alors que la longueur L est égale à 2 fois la hauteur h du générateur 7, à +/- 10%.

La position dans la veine de ce générateur de vortex 7 est précisée en référence à la figure 4. Le générateur 7 est positionné dans le canal inter-aubes, à une distance axiale x du bord d'attaque des aubes 1, qui est approximativement égale, à +/- 10%, aux 2/3 de l'envergure axiale d des aubes. Tangentiellement il est placé à une distance y, mesurée perpendiculairement à l'extrados, très proche de l'extrados 4 de l'aube et qui est approximativement égale, à +/- 10%, à la hauteur h du générateur de vortex 7. Enfin angulairement, le plan radial dans lequel se situe le générateur de vortex fait un angle d'environ 20°, +/- 5°, et préférentiellement +/-2°, incliné vers l'amont en s'éloignant de l'extrados 4, avec l'écoulement de l'air dans le canal inter-aubes, la direction de cet écoulement étant donnée par le vecteur vitesse E de l'air au niveau de l'entrée dans le canal inter-aubes. Enfin la figure 5 montre l'évolution des pertes en pression le long de la hauteur de la veine, en aval de la position choisie pour installer un générateur de vortex 7. Celles-ci sont définies comme étant égales au rapport entre, d'une part, l'écart de pression totale existant entre l'amont et l'aval du stator et, d'autre part, l'écart entre la pression totale à l'infini amont et la pression statique en amont du stator. Les courbes correspondent à trois configurations : une courbe en l'absence de générateur de vortex (courbe avec des carrés), une courbe avec un générateur de vortex de taille réduite, inférieure à celle décrite en référence aux figures (courbe avec des triangles) et une courbe avec les générateurs de vortex de taille selon l'invention (courbe avec des cercles).

On constate que les courbes avec un générateur de vortex sont au-dessus de la courbe sans générateur de vortex sur la hauteur de veine allant de 0 à 20%, donc que ceux-ci génèrent plus de pertes sur cette fraction de la hauteur de veine. En revanche ces deux courbes passent en dessous de la courbe sans générateur de vortex sur la partie haute de la veine, c'est-à-dire au-dessus de 20%. Au global sur la hauteur, les pertes sont moindres avec les générateurs de vortex que sans, et la taille retenue pour ceux-ci apparaît adaptée à l'objectif poursuivi. En résumé, si on crée plus de pertes localement en pied avec les générateurs de vortex, celles-ci sont compensées par les gains que les générateurs de vortex 7 génèrent en milieu de veine. Et au final le gain global sur les pertes est positif et peut être estimé à environ un pour cent de celles-ci.

L'invention se caractérise par une taille et une position précises pour les générateurs de vortex 7, de façon à apporter des gains sur les rendements des compresseurs par rapport aux compresseurs existants. Le générateur de vortex doit, en particulier, être placé au début de la zone de décollement ; ainsi, les tourbillons qu'ils créent interagissent immédiatement avec le tourbillon de coin. Dans le cas où le générateur de vortex serait placé, par exemple, trop en amont, il n'agirait pas sur le décollement et ne pourrait pas le réduire efficacement car il ne serait pas placé au meilleur endroit vis-à-vis de la zone de décollement.

Claims

REVENDICATIONS1. Redresseur de compresseur d'une turbomachine comportant une pluralité d'aubes fixes (1) s'étendant circulairement entre une virole interne (5) et une virole externe concentriques et définissant des canaux inter-aubes formant une veine dans laquelle circule l'air à comprimer, ladite virole interne portant au moins un générateur de vortex (7) s'étendant à l'intérieur de la veine d'air pour réduire les tourbillons de coin, caractérisé en ce que ledit générateur de vortex est positionné axialement dans le canal inter-aubes, c'est-à-dire entre la position axiale du bord d'attaque des aubes et celles de leur bord de 10 fuite.
2. Redresseur selon la revendication 1 dans lequel le point le plus amont dudit générateur de vortex (7) est positionné aux deux tiers +/- 10%, vers l'aval, de l'envergure axiale d des aubes.
3. Redresseur selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel le générateur de 15 vortex a une forme plane triangulaire s'étendant perpendiculairement à ladite virole interne, ledit triangle comportant un côté curviligne s'étendant le long de ladite virole interne (5) et ayant son sommet le plus proche de l'extrados (4) positionné sur ladite virole interne.
4. Redresseur selon la revendication 3 dans lequel ledit sommet le plus proche de l'extrados (4) est distant dudit extrados d'une distance égale à la hauteur (h) dudit triangle +/- 20 10%, mesurée perpendiculairement à ladite virole externe.
5. Redresseur selon l'une des revendications 3 ou 4 dans lequel le générateur de vortex (7) a la forme d'un triangle rectangle, l'angle droit étant situé du côté opposé à l'extrados (4) de l'aube (1).
6. Redresseur selon l'une des revendications 3 à 5 dans lequel la hauteur h dudit 25 triangle, mesurée perpendiculairement à ladite virole externe, est comprise entre 2 et 15% de la hauteur de l'aube.
7. Redresseur selon l'une des revendications 3 à 6 dans lequel la longueur L du côté curviligne est égale à 2 fois +1-10%, la hauteur du triangle, mesurée perpendiculairement à ladite virole externe (5). 30
8. Redresseur selon l'une des revendications 2 à 7 dans lequel ledit générateur de vortex a une forme plane, orientée vers l'aval d'un angle de 20° +/- 5°, en s'éloignant dudit extrados, par rapport à la direction de l'écoulement en amont dudit redresseur.
9. Compresseur de turbomachine comportant au moins un redresseur selon l'une des revendications 1 à 8. 35
10. Turbomachine équipée d'un compresseur selon la revendication précédente.