FR3041714A1 - Compresseur de turbomachine, en particulier de turbopropulseur ou de turboreacteur d'avion - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un compresseur de turbomachine, en particulier de turbopropulseur ou de turboréacteur d'avion, comprenant un carter annulaire et au moins une rangée annulaire d'aubes (26) à calage variable, chaque aube (26) comportant une extrémité radialement externe comprenant un pivot (30) monté dans un orifice du carter et relié par une biellette (36) à un anneau de commande (38) apte à pivoter axialement autour de son axe par rapport au carter, chaque biellette (36) comportant une première extrémité fixée au pivot (30) de l'aube (26) et une seconde extrémité montée de façon pivotante sur l'anneau de commande (38). Les axes de pivotement (48, 62) d'une première et d'une seconde biellettes (36a, 36b) sur l'anneau de commande (38) sont décalés l'un de l'autre selon l'axe du compresseur, la seconde extrémité de la seconde biellette (36b) étant montée sur l'anneau (38) par l'intermédiaire d'un organe de liaison (60) autorisant une liaison de type pivot glissant ou linéaire annulaire.

Description

Compresseur de turbomachine, en particulier de turbopropulseur ou de turboréacteur d’avion

La présente invention concerne un compresseur de turbomachine, en particulier de turbopropulseur ou de turboréacteur d’avion.

De façon connue, un compresseur de turbomachine comprend une pluralité d'étages de compression comportant chacun une rangée annulaire d'aubes mobiles montée sur un arbre de rotor et une rangée annulaire d'aubes de stator à calage variable montées à leurs extrémités radialement externes sur un carter externe sensiblement cylindrique.

Le réglage du calage angulaire des aubes de stator dans une turbomachine est destiné à optimiser le rendement et l’opérabilité du compresseur en tout point de fonctionnement de la turbomachine.

Les aubes de stator à calage variable comprennent chacune à leur extrémité radialement externe un pivot radial qui est centré et guidé en rotation dans un orifice du carter externe. Chaque pivot d'aube est relié par une biellette à un anneau de commande qui s'étend autour du carter externe du compresseur et qui est déplaçable en rotation autour de l'axe longitudinal du compresseur par des moyens d'actionnement pour transmettre aux aubes un mouvement de rotation autour des axes de leurs pivots.

Chaque biellette est fixée au pivot d'aube et comporte un pion cylindrique engagé dans un trou cylindrique de l'anneau de commande.

Lors de la rotation de l’anneau de commande autour de son axe, celui-ci entraîne le pivotement des biellettes et des aubes autour de l’axe du pivot des aubes. La plage angulaire totale de rotation des biellettes est classiquement de l’ordre de 40 à 70°. L’anneau est également déplaçable axialement de façon à accompagner la trajectoire des pions. Toutes les aubes se trouvent alors dans la même position angulaire, pour une position angulaire donnée de l’anneau de commande.

Or, en fonction du régime de la turbomachine, il existe un besoin de pouvoir adapter le calage des aubes en fonction notamment de leur position azimutale, c’est-à-dire de la position circonférentielle de l’aube de stator dans l’étage correspondant. Les angles de calage permettant de maximiser le rendement de la turbomachine peuvent être différents en fonction des positions azimutales des aubes de stator d’un même étage.

En effet, le flux de gaz s’écoulant dans la veine traversant le compresseur haute-pression n’est pas homogène sur toute sa circonférence, ce flux pouvant comporter des poches générant des pertes de performance. Par ailleurs, lorsque la turbomachine fonctionne à haut régime, des efforts et des couples importants sont exercés sur les aubes, ce qui a tendance à déformer légèrement l’anneau de commande.

Le brevet US 3 861 822 divulgue une turbomachine comportant un compresseur équipé de moyens de calage des aubes permettant de positionner des groupes d’aubes suivant des angles de calage différents. De tels moyens de calage présentent cependant une structure complexe, nécessitant l’utilisation de nombreuses pièces, ce qui augmente le poids et le coût d’une telle turbomachine.

La demande de brevet FR 3 015 594, au nom de la Demanderesse, divulgue un compresseur de turbomachine, en particulier de turbopropulseur ou de turboréacteur d’avion, comprenant un stator comportant un carter annulaire et au moins une rangée annulaire d’aubes à calage variable. Chaque aube comporte une extrémité radialement externe comprenant un pivot monté dans un orifice du carter et relié par une biellette à un anneau de commande apte à pivoter axialement par rapport au carter, ladite biellette comportant une première extrémité fixée au pivot de l’aube et une seconde extrémité comportant un pion engagé dans un trou de l’anneau de commande. L’anneau de commande effectue plus particulièrement un mouvement hélicoïdal autour du carter. L’un au moins des trous de l’anneau de commande, servant à l’engagement des pions des biellettes, est de forme oblongue et s’étend dans la direction circonférentielle de façon à autoriser le déplacement du pion dans ledit trou oblong, lors de la rotation de l’anneau de commande.

De cette manière, en fonction de la forme du trou, il est possible d’adapter l’angle de calage de chaque aube, de façon individuelle ou par groupes d’aubes, tout en conservant des biellettes ayant la même longueur. Cette adaptation permet de s’adapter à l’hétérogénéité du flux de gaz et de corriger d’éventuelles déformations à haut régime moteur, tout en évitant un hyperstatisme du système.

Les jeux formés entre les pions des biellettes et les trous oblongs de l’anneau peuvent engendrer des vibrations, ce qui peut provoquer une usure prématurée de l’ensemble. Par ailleurs, l’usinage des différents trous oblongs doit être effectué de manière rigoureuse, au risque de perturber la cinématique des différents éléments mobiles. Un tel usinage est relativement difficile à effectuer. L’invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients, de manière simple, efficace et peu coûteuse. A cet effet, elle propose un compresseur de turbomachine, en particulier de turbopropulseur ou de turboréacteur d’avion, comprenant un carter annulaire et au moins une rangée annulaire d’aubes à calage variable, chaque aube comportant une extrémité radialement externe comprenant un pivot monté dans un orifice du carter et relié par une biellette à un anneau de commande apte à pivoter axialement autour de son axe par rapport au carter, chaque biellette comportant une première extrémité fixée au pivot de l’aube et une seconde extrémité montée de façon pivotante sur l’anneau de commande, caractérisé en ce que les axes de pivotement d’au moins une première et une seconde biellettes sont décalés l’un de l’autre selon l’axe du compresseur, la seconde extrémité de la seconde biellette étant montée sur l’anneau par l’intermédiaire d’un organe de liaison autorisant une liaison de type pivot glissant ou linéaire annulaire.

Le décalage axial permet d’adapter les angles de calage des aubes concernées, de façon individuelle ou par groupes d’aubes. Une telle caractéristique permet de s’adapter à l’hétérogénéité du flux de gaz. La liaison pivot glissant ou linéaire annulaire permet d’éviter l’hyperstatisme du système.

La liaison pivot autorise une translation selon un axe, ici l’axe de la seconde extrémité de la seconde biellette, et une rotation selon ce même axe. La liaison linéaire annulaire autorise une translation selon un axe, ici l’axe de la seconde extrémité de la seconde biellette, et trois rotations. La liaison linéaire annulaire combine ainsi une translation et une rotule. De manière plus générale, l’invention autorise une seule translation selon l’axe de la seconde extrémité de la seconde biellette et au moins une rotation, à savoir au moins la rotation selon l’axe précité.

Selon une forme de réalisation, l’axe de pivotement de la seconde extrémité de la seconde biellette est décalé axialement vers l’amont par rapport à l’axe de pivotement de la seconde extrémité de la première biellette, dans le sens de circulation des gaz au sein du compresseur.

Selon une autre forme de réalisation, l’axe de pivotement de la seconde extrémité de la seconde biellette est décalé axialement vers l’aval par rapport à l’axe de pivotement de la seconde extrémité de la première biellette, dans le sens de circulation des gaz au sein du compresseur.

En outre, la distance circonférentielle entre l’axe de pivotement de la première extrémité de la première biellette et l’axe de pivotement de la seconde extrémité de la première biellette peut être différente de la distance circonférentielle entre l’axe de pivotement de la première extrémité de la seconde biellette et l’axe de pivotement de la seconde extrémité de la seconde biellette .

Par ailleurs, l’organe de liaison peut être apte à pivoter autour d’un axe sensiblement radial par rapport à l’anneau, la seconde extrémité de la seconde biellette comportant une partie de coulissement rectiligne engagée dans un évidement de forme complémentaire dudit organe de liaison de façon à autoriser le coulissement de ladite partie rectiligne par rapport audit organe de liaison.

Dans ce cas, l’évidement peut être un trou traversant ledit organe de liaison.

En variante, l’évidement peut être une rainure traversant ledit organe de liaison. L’organe de liaison peut comporter une première partie montée de façon pivotante par rapport à l’anneau et une seconde partie montée de façon rotulante par rapport à la première partie, l’évidement étant ménagé dans la seconde partie. L’invention concerne également une turbomachine, en particulier de turbopropulseur ou de turboréacteur d’avion, comportant au moins un compresseur du type précité. L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'un compresseur haute-pression d'un turboréacteur équipé d'un système de commande d'aubes à calage variable selon la technique antérieure, - la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale à plus grande échelle du système de calage angulaire d'un étage du compresseur de la figure 1, - la figure 3 est une vue en perspective d’une partie d’un anneau de commande, - la figure 4 est une vue schématique, de dessus, d’une zone de l’anneau de commande illustré à la figure 3, - la figure 5 est une vue schématique, de dessus, de l’anneau de commande, des biellettes et des aubes, du compresseur de l’art antérieur, - la figure 6 est une vue correspondant à la figure 5, illustrant une première forme de réalisation de l’invention, - les figures 7 et 8 sont des vues d’une partie de l’anneau de commande et des biellettes, dans deux positions différentes, illustrant le fonctionnement de la première forme de réalisation de l’invention, - les figures 9 à 11 sont des vues schématiques et en perspective illustrant chacune une biellette et un organe de liaison, lesdites figures représentant différentes variantes de réalisation, - la figure 12 est une vue correspondant à la figure 5, illustrant une deuxième forme de réalisation de l’invention, - la figure 13 est une vue correspondant à la figure 5, illustrant une troisième forme de réalisation de l’invention, - la figure 14 est un diagramme représentant différentes lois de calage, pour différentes variantes de réalisation de l’invention et pour une turbomachine de l’art antérieur.

Dans ce qui suit, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens d’écoulement des gaz dans la turbomachine, en particulier dans la veine secondaire. De même, les termes « radial » et « axial » sont définis par rapport à l’axe de la turbomachine.

On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une demi-vue schématique de la partie amont d'un compresseur haute-pression 10 selon la technique antérieure, en coupe selon un plan passant par l'axe 12 de la turbomachine. Le compresseur haute-pression 10 comprend un rotor, d’axe (12) c’est-à-dire identique à celui de la turbomachine, formé de disques 14, 16, 18, 20 assemblés axialement les uns aux autres, le rotor étant en appui sur un palier 22 par l'intermédiaire d'un tourillon 24.

Chaque disque est agencé en aval d'une rangée annulaire d'aubes de stator 26 à calage variable. Chaque aube de stator comprend à ses extrémités radialement interne et externe des pivots cylindriques 28, 30 coaxiaux. Le pivot cylindrique interne 28 s'étend vers l'intérieur depuis l'aube de stator 26 et est centré et guidé en rotation dans un logement cylindrique d'un élément annulaire du stator, et le pivot cylindrique externe 30 s'étend radialement vers l'extérieur et est centré et guidé en rotation dans une cheminée cylindrique 32 d'un carter externe 34 sensiblement cylindrique du compresseur haute-pression 10.

Le réglage du calage angulaire des aubes de stator 26 d'un étage est assuré à l'aide de biellettes 36 qui sont entraînées en rotation par un anneau de commande 38 monté pivotant par rapport au carter 34 autour de l’axe 12. Le débattement total de l’anneau de commande est par exemple compris entre 5 et 20°. Un vérin hydraulique 40 permet le déplacement simultané en rotation de plusieurs anneaux de commande 38. L’anneau 38 est par exemple formé de deux parties 39 assemblées l’une à l’autre par l’intermédiaire de pontets (non représentés) fixés aux extrémités desdites parties 39.

Les biellettes 36 sont fixées par une extrémité sur les pivots radiaux 30 des aubes 26 à calage variable, ces pivots 30 étant guidés en rotation dans des douilles 42 montés dans les cheminées 32 du carter 34 (figure 2). L'extrémité de la biellette fixée au pivot d'aube 30 est maintenue radialement sur un rebord 44 de la douille 42 par un écrou 46 vissé sur l'extrémité du pivot 30. L'autre extrémité de la biellette 36 comprend un orifice dans lequel est guidé en rotation un pion cylindrique radial 48 monté dans un trou cylindrique 52 de l'anneau de commande 38. Les pions 48 sont maintenus en position par des pattes coudées 50 fixées sur l'anneau de commande 38. L’anneau de commande 38 est également déplaçable axialement en translation, de façon à accompagner la trajectoire circulaire des pions 48.

Comme cela est mieux visible à la figure 3, les parties 39 de l’anneau de commande 38 comportent d’autres trous 54, 56 servant respectivement à la fixation d’éléments permettant de relier les extrémités des deux parties 39 de l’organe de commande 38 entre elles ou servant à la fixation de patins de centrage venant s’appliquer sur une piste ménagée sur la surface externe du carter.

Lors de la rotation de l’anneau de commande 38 autour de son axe 12, celui-ci entraîne le pivotement des biellettes 36 et des aubes 26 autour de l’axe des pivots 28, 30 des aubes 26. Toutes les aubes 26 se trouvent alors dans une même position angulaire, pour une position angulaire donnée de l’anneau de commande 38, les biellettes 36 ayant toutes la même longueur.

Or, comme indiqué précédemment, en fonction du régime de la turbomachine, il existe un besoin de pouvoir adapter le calage des aubes 26 en fonction notamment de leur position azimutale, c’est-à-dire de la position circonférentielle de l’aube 26 de stator dans l’étage correspondant.

Les figures 6 à 8 représentent une première forme de réalisation de l’invention visant à répondre à ce besoin.

Dans cette forme de réalisation, certaines des biellettes, portant la référence 36a, présentent la structure décrite précédemment, tandis que d’autre biellettes, portant la référence 36b et de longueur différente des biellettes 36a, présentent une extrémité qui est reliée à l’anneau de commande 38 par une liaison de type pivot glissant. L’anneau de commande 38 s’étend circonférentiellement et présente un plan radial P passant par les centre des trous 52 et des pions ou pivots 48. Au moins une zone de l’anneau 38 comporte une excroissance 58 s’étendant axialement, ici vers l’aval, depuis le plan P, au moins un organe de liaison 60 étant monté pivotant autour d’un axe radial 62 sur ladite excroissance 58. La distance axiale d entre le plan P et chaque axe de rotation 62 est par exemple comprise entre 1 et 30 mm.

Les biellettes 36b s’étendent selon un axe 64 et comportent chacune une extrémité montée de façon coulissante selon l’axe 64 de la biellette 36b dans un évidement 66 de forme complémentaire de l’organe de liaison 60, de façon à former ladite liaison pivot glissant entre chaque biellette 36b et l’anneau de commande 38. L’utilisation des tels moyens de coulissement permet d’éviter tout hyperstatisme de l’ensemble.

La figure 9 illustre une première forme de réalisation d’une telle liaison glissière dans laquelle l’évidement 66 est un trou, par exemple cylindrique, traversé par une partie de forme complémentaire de la biellette 36b.

La figure 10 illustre une seconde forme de réalisation d’une telle liaison glissière dans laquelle l’évidement 66 est une rainure, par exemple une rainure de forme hémicylindrique, dans laquelle est montée à coulissement une partie de forme complémentaire de la biellette 36b. L’avantage est de permettre de limiter la contrainte de flexion subie par la biellette 36b lors du mouvement hélicoïdal de l’anneau en permettant un mouvement de la biellette 36b par rapport à la rainure 66 et sortir éventuellement très légèrement de cette rainure.

La figure 11 illustre une troisième forme de réalisation dans laquelle l’organe de liaison comporte une première partie 60a montée de façon pivotante autour de l’axe 62 par rapport à l’anneau 38 et une seconde partie sphérique 60b montée de façon rotulante dans un logement de forme complémentaire de la première partie 60a, l’évidement 66 étant formé par un trou traversant la seconde partie 60b. Ledit trou 66 est traversé par une partie de forme complémentaire de la biellette 36b.

Comme cela est illustré à la figure 6, le décalage axial de l’axe de rotation 62 des biellettes 36b sur l’anneau 38 par rapport à l’axe de rotation 48 des biellettes 36a sur l’anneau 38 tend à modifier l’angle de calage a2 des biellettes 36b par rapport à l’angle de calage a1 des biellettes 36a. L’angle de calage α1, a2 des biellettes 36a, 36b est l’angle formé par l’axe de la biellette 36a, 36b avec l’axe 12 de la turbomachine. On notera que l’angle de calage des aubes 26 rattachées fixement aux biellettes 36a, 36b est directement dépendant des angles de calage α1, a2 desdites biellettes 36a, 36b et varie de la même façon que les angles a1, a2.

Dans le cas d’un tel décalage vers l’aval, l’angle de calage a2 est inférieur à l’angle de calage a1, en valeurs absolues, quelle que soit la position angulaire de l’anneau 38.

La figure 12 illustre une deuxième forme de réalisation de l’invention, qui diffère de celle exposée en référence aux figures 6 à 11 en ce que les axes de rotation 62 des biellettes 36b sont décalés, non plus vers l’aval, par rapport au plan P passant par les axes de rotation 48 des biellettes 36a, mais vers l’amont. A cet effet, les excroissances 58 s’étendent axialement vers l’amont. Comme précédemment, la distance axiale d entre le plan P et chaque axe de rotation 62 est par exemple comprise entre 1 et 30 mm.

Dans une telle forme de réalisation, l’angle de calage a3 des biellettes 36b est supérieur à l’angle de calage a1 des biellettes 36a, en valeurs absolues, quelle que soit la position angulaire de l’anneau 38.

La figure 13 illustre une troisième forme de réalisation, qui diffère de celle exposée en référence à la figure 12 en ce que les axes de rotation 62 des biellettes 36b sont décalés vers l’amont par rapport au plan P passant par les axes de rotation 48 des biellettes 36a, et en ce que la distance circonférentielle cb entre le centre du pivot 30 et l’axe de rotation 62 de chaque biellette 36b est différent de la distance circonférentielle ca entre le centre du pivot 30 et l’axe de rotation 48 de chaque biellette 36a. Dans la forme de réalisation représentée à la figure 13, la distance cb est inférieure à la distance ca et est telle que l’angle de calage a4 des aubes 36b est inférieur à l’angle de calage a1 des aubes 36a, quelle que soit la position angulaire de l’anneau 38. L’invention permet ainsi de faire varier l’angle de calage d’au moins certaines des biellettes, afin de compenser l’hétérogénéité du flux de gaz s’écoulant dans la veine traversant le compresseur haute-pression.

La figure 14 est un diagramme représentant l’évolution des lois de calage, pour différentes formes de réalisation, ce qui diagramme comportant cinq courbes référencées C1 à C5.

La courbe C1 illustre la loi de calage, c’est-à-dire l’évolution de la l’angle de calage des biellettes 36a ou des biellettes 36 de l’art antérieur, pour lesquelles les axes de rotation 48 ne sont pas décalées axialement du plan P.

Les courbes C2 à C4 représentent des lois de calage pour des turbomachine conformes à la forme de réalisation de la figure 12, dans laquelle les axes de rotation 62 des biellettes 36b sont décalés vers l’amont par rapport aux axes de rotation 48 des biellettes 36a, respectivement pour des distances d2, d3 et d4 dans lesquelles d4 est supérieure à d3, elle-même supérieure à d2.

On remarque que les lois de calage C2 à C4 sont différentes de la loi de calage de la courbe C1.

La courbe C5 représente une loi de calage pour une turbomachine conforme à la forme de réalisation de la figure 13 dans laquelle, outre le décalage vers l’amont, la distance circonférentielle cb entre le centre du pivot 30 et l’axe de rotation 62 de chaque biellette 36b est différent de la distance circonférentielle ca entre le centre du pivot 30 et l’axe de rotation 48 de chaque biellette 36a. On remarque là encore que la loi de calage C5 obtenue est différente des lois de calage C1 à C4. L’invention permet ainsi d’adapter la loi de calage de chaque aube de stator ou de chaque groupe d’aubes de stator, en fonction de leur position azimutale.

On pourra envisager, selon l’hétérogénéité du flux, de prévoir de décaler axialement vers l’aval et/ou vers l’amont et/ou azimutalement sur un même anneau la position de l’axe de rotation des biellettes.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS

   1. Compresseur (10) de turbomachine, en particulier de turbopropulseur ou de turboréacteur d’avion, s’étendant selon un axe (12), comprenant un carter annulaire (34) et au moins une rangée annulaire d’aubes (26) à calage variable, chaque aube (26) comportant une extrémité radialement externe comprenant un pivot (30) monté dans un orifice du carter (34) et relié par une biellette (36) à un anneau de commande (38) apte à pivoter axialement autour de son axe par rapport au carter (34), chaque biellette (36) comportant une première extrémité fixée au pivot (30) de l’aube (26) et une seconde extrémité montée de façon pivotante sur l’anneau de commande (38), caractérisé en ce que les axes de pivotement (48, 62) d’une première et d’une seconde biellettes (36a, 36b) sur l’anneau de commande (38) sont décalés l’un de l’autre selon l’axe du compresseur, la seconde extrémité de la seconde biellette (36b) étant montée sur l’anneau (38) par l’intermédiaire d’un organe de liaison (60) autorisant une liaison de type pivot glissant ou linéaire annulaire.
2. 2. Compresseur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’axe de pivotement (62) de la seconde extrémité de la seconde biellette (36b) est décalé axialement vers l’amont par rapport à l’axe de pivotement (48) de la seconde extrémité de la première biellette (36a), dans le sens de circulation des gaz au sein du compresseur (10).
3. 3. Compresseur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’axe de pivotement (62) de la seconde extrémité de la seconde biellette (36b) est décalé axialement vers l’aval par rapport à l’axe de pivotement (48) de la seconde extrémité de la première biellette (36a), dans le sens de circulation des gaz au sein du compresseur (10).
4. 4. Compresseur (10) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la distance circonférentielle (ca) entre l’axe de pivotement (30) de la première extrémité de la première biellette (36a) et l’axe de pivotement (48) de la seconde extrémité de la première biellette (36a) est différente de la distance circonférentielle (cb) entre l’axe de pivotement (30) de la première extrémité de la seconde biellette (36b) et l’axe de pivotement (62) de la seconde extrémité de la seconde biellette (36b).
5. 5. Compresseur (10) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’organe de liaison (60) est apte à pivoter autour d’un axe (62) sensiblement radial par rapport à l’anneau (38), la seconde extrémité de la seconde biellette (36b) comportant une partie de coulissement rectiligne engagée dans un évidement (66) de forme complémentaire dudit organe de liaison (60) de façon à autoriser le coulissement de ladite partie rectiligne par rapport audit organe de liaison (60).
6. 6. Compresseur (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’évidement (66) est un trou traversant ledit organe de liaison (60).
7. 7. Compresseur (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’évidement (66) est une rainure traversant ledit organe de liaison (60).
8. 8. Compresseur (10) selon l’une des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que l’organe de liaison comporte une première partie (60a) montée de façon pivotante par rapport à l’anneau (38) et une seconde partie (60b) montée de façon rotulante par rapport à la première partie (60a), l’évidement (66) étant ménagé dans la seconde partie (60b).
9. 9. Turbomachine, en particulier de turbopropulseur ou de turboréacteur d’avion, comportant au moins un compresseur (10) selon l’une des revendications 1 à 8.