Carter pour roue à aubes mobiles de turbomachine

L'invention concerne le domaine des roues mobiles de turbomachines, et notamment des roues de compresseurs. Dans les turbomachines en effet, les roues mobiles associées à des roues fixes, forment des étages de compresseur dont le rôle est de comprimer Ie fluide qui les traverse. La conception et l'optimisation d'une grille de roue(s) mobile(s) (c'est-à-dire, d'une suite d'une ou plusieurs roues mobiles), par exemple pour un compresseur, nécessitent de prendre en compte en particulier deux objectifs.

Le premier objectif est d'avoir un rendement de compression optimal. Ce rendement de compression peut être défini comme le rapport entre l'énergie idéalement fournie au fluide pour une compression isentropique entre l'amont et l'aval de la grille de roues mobiles et l'énergie réellement fournie au fluide. (Dans le présent document, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du fluide à travers la grille de roues à aubes).

Le second objectif est de garantir une "marge au pompage" suffisante. Le pompage est un phénomène d'instabilité du fluide survenant au sein d'un compresseur, se manifestant par des oscillations basses fréquences de l'écoulement, et survenant lorsque les conditions de débit, d'alimentation, de pression ou de température s'éloignent du domaine de fonctionnement normal de la turbomachine. Ce phénomène instable étant généralement très énergétique, il fait endurer à la turbomachine de fortes sollicitations mécaniques (statiques et dynamiques). On comprend donc naturellement qu'un objectif permanent lors de la mise au point d'une grille de roues mobiles est d'étendre autant que possible le domaine de fonctionnement normal de celle-ci et, de ce fait, du compresseur ou de la turbomachine dans lequel elle se trouve, pour disposer ainsi d'une "marge au pompage" suffisante qui permet d'éviter les phénomènes de pompage. De manière connue, des dispositions spécifiques sont prises dans les roues à aubes mobiles pour optimiser le second objectif, à savoir, l'optimisation de Ia marge au pompage.

Dans une roue mobile ou roue à aubes mobiles, le jeu radial de fonctionnement entre le carter fixe et les aubes mobiles engendre un écoulement secondaire dit écoulement de jeu. Celui-ci est à l'origine de

pertes significatives du rendement des roues mobiles et peut être dans une majorité des cas, à l'origine de la perte de stabilité du compresseur

(phénomène de pompage). Aussi, pour satisfaire Ie second objectif indiqué précédemment et maximiser la marge au pompage de la grille de roue mobiles, de manière connue, on réalise sur la paroi interne du carter, en regard des extrémités d'aubes des roues mobiles, un traitement de carter.

Un traitement de carter consiste par exemple à réaliser un ensemble de rainures dans la paroi intérieure du carter. Grâce à ces rainures, la marge au pompage de la roue à aubes est améliorée. Le brevet GB 24 08 546 fournit ainsi un exemple de traitement de carter pour turbomachine. Toutefois, dans le traitement de carter qu'il divulgue, l'agencement des rainures est très particulier : il ne s'agit pas de rainures circonférentielles, mais de fentes circonférentiellement espacées les unes des autres dont l'inclinaison par rapport à la direction radiale est variable. II s'ensuit que la fabrication du carter est relativement complexe, et donc coûteuse, et cela, sans assurer que le carter permette en même temps l'augmentation de marge au pompage et l'optimisation du rendement de compression.

En pratique, la plupart des traitements de carter ne sont destinés qu'à optimiser la marge au pompage du compresseur, sans se soucier de l'impact souvent négatif qu'ils ont sur le rendement de compression.

L'objectif de la présente invention est de définir un carter pour roue à aubes mobiles de turbomachine, ledit carter ayant une paroi intérieure sensiblement cylindrique suivant un axe de carter, cette paroi cylindrique présentant une pluralité de rainures circonférentïelles, chacune ayant une section sensiblement constante dans un plan de section axial, et qui soit optimisé pour simultanément améliorer la marge au pompage et optimiser le rendement de la roue à aubes de turbomachine associée. Cet objectif est atteint grâce au fait que dans le carter, la surface de la section (S1,S2,S3) des rainures circonférentielles (11,12,13) est décroissante de l'amont vers l'aval de la première (11) à la dernière (13) rainure.

Par extrémité amont, on désigne ci-dessus une extrémité du carter qui est prévue pour être disposée du côté amont du carter.

Par rainure circonférentielle, on entend des rainures qui sont disposées sensiblement dans un plan perpendiculaire à l'axe de la roue à aubes. Ce sont donc typiquement des rainures circulaires tracées dans un plan perpendiculaire à l'axe de la roue à aubes. Ces rainures ne sont pas nécessairement continues, et ne font pas nécessairement tout le tour du carter. Cependant, pour qu'elles aient une efficacité suffisante notamment dans l'amélioration de la marge au pompage de la grille de roues mobiles, il est nécessaire qu'elles occupent une grande partie de la circonférence du carter. Le fait que chaque rainure circonférentielle ait une section sensiblement constante dans un plan de section axial signifie que quel que soit le plan de section axial choisi pour évaluer la section, la section de la rainure est sensiblement la même.

L'intérêt de l'invention résulte des deux observations suivantes : d'une part, c'est essentiellement la première rainure, du côté amont de la roue à aubes, qui contribue à l'amélioration de la marge au pompage, les autres rainures contribuant de manière décroissante à cette amélioration, en fonction de leur éloignement par rapport à la première rainure, d'autre part, chacune de ces rainures a un impact généralement négatif sur le rendement de compression de la grille d'aubes mobiles.

Ainsi, pour optimiser simultanément le rendement de la roue à aubes et l'amélioration de la marge au pompage, selon l'invention, on privilégie la surface de la section de la première ou des premières rainures par rapport aux rainures suivantes (c'est-à-dire, d'un groupe de rainures situé en amont de la ou des autres rainures situées plus en aval).

En général, c'est la première rainure en amont qui a une surface de section supérieure à celle de toutes les autres rainures. Cependant, l'invention vise également un mode de réalisation dans lequel le carter présente de l'amont vers l'aval, deux rainures de sections de même surface, puis deux rainures de sections de surface plus faible et ainsi de suite. Selon l'invention, toutes les variations des surfaces de section des rainures sont envisageables, sous réserve que la surface de la section desdites rainures circonférentielles soit décroissante de l'amont vers l'aval, de la première à la dernière rainure. Cette décroissante peut être régulière comme par exemple, lorsque la diminution de surface de la section des rainures de l'amont vers l'aval est linéaire. Dans un autre

mode de réalisation, Ia décroissance de la surface de section des rainures peut également se faire par paliers.

On notera que les rainures à considérer sont les rainures disposées sensiblement en regard des aubes de la roue à aubes, indépendamment de la forme du carter en amont et en aval de la roue à aubes.

Selon un mode de réalisation, les rainures s'étendent chacune sensiblement dans un plan perpendiculaire à l'axe du carter.

Selon un mode de réalisation, la profondeur de la première desdites rainures circonférentielles est supérieure à celle des rainures suivantes situées plus en aval.

Selon un mode de réalisation, la profondeur desdites rainures circonférentielles est décroissante de l'amont vers l'aval.

Avantageusement, la décroissance de profondeur desdites rainures circonférentielles est linéaire.

Selon un mode de réalisation, la largeur de la première desdites rainures circonférentielles est supérieure à celle des rainures suivantes situées plus en aval.

Selon un mode de réalisation, la largeur desdites rainures circonférentielles est décroissante de l'amont vers l'aval suivant l'axe du carter.

Les différents modes de réalisation cités précédemment permettent conformément à l'invention d'optimiser simultanément le rendement de la roue à aubes et l'amélioration de la marge au pompage en jouant sur différents paramètres qui peuvent ainsi être optimisés en fonction des autres contraintes à prendre en compte dans la conception de la grille de roues mobiles.

Selon un mode de réalisation, le carter présente entre des rainures consécutives des surfaces de jonction sensiblement cylindriques, et le diamètre des surfaces de jonction est sensiblement égal à la valeur moyenne des diamètres intérieurs du carter mesurés respectivement en amont et en aval des rainures.

Grâce à cette disposition, l'écoulement au niveau du jeu entre les extrémités d'aubes et le carter se produit, si l'on exclut les rainures, dans un espace dont le diamètre évolue d'une manière régulière, et ainsi les turbulences indésirables sont réduites.

Un second objet de l'invention est de définir une turbomachine de rendement élevé et dont la marge au pompage est importante.

Cet objectif est atteint grâce au fait que Ia turbomachine comprend une roue à aubes mobiles, et un carter tel que défini précédemment. Ainsi, les performances de la turbomachine sont optimisées, et celle-ci bénéficie d'un rendement optimisé avec une marge au pompage améliorée.

L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'une roue à aubes mobiles pour turbomachine comportant un carter selon l'invention ; la figure 2 est une coupe axiale de la roue à aubes mobiles présentée en figure 1 faisant apparaître le traitement de carter objet de l'invention.

En faisant référence à la figure 1, un carter pour roues à aubes mobiles selon l'invention va maintenant être décrit.

La figure 1 représente une roue à aubes 100. Cette roue à aubes 100 se compose principalement d'un rotor constitué par un disque rotor 30 et des aubes 20, mobile en rotation suivant un axe F à l'intérieur d'un stator constitué par un carter 10 fixe. Dans la roue à aubes, le disque rotor 30 est une pièce en forme d'anneau dont une fonction est de maintenir et de mouvoir en rotation les aubes mobiles 20. Les aubes mobiles sont généralement fixées au disque rotor par leurs pieds à l'aide d'attaches dites brochées ou marteau. Chacune des aubes mobiles est ainsi constituée d'un pied, d'une plate-forme 22 qui constitue la partie interne de la section de passage du flux, et d'un profil aérodynamique 23.

Les aubes mobiles peuvent également être réalisées dans le même bloc de matériau que le disque rotor, on parle en ces cas là de disque aubagé monobloc. Le flux s'écoule sensiblement suivant l'axe de F de la roue à aubes, dans les passages inter-aubes disposés entre les profils aérodynamiques 23 des différentes aubes. Dans le sens radial, le passage du flux se fait entre les plates-formes 22 des aubes et à l'intérieur du carter 10 de la roue à aubes. Chaque aube comporte un profil aérodynamique 23 disposé dans une direction sensiblement radiale. Le

pied de l'aube est disposé vers Ie centre de la roue à aubes, alors que le profil 23 s'étend vers l'extérieur. L'extrémité du profil 23, au cours de la rotation de la roue à aubes, est donc amenée à se déplacer à grande vitesse au voisinage du carter fixe 10. Pour l'efficacité de la roue à aubes, la maîtrise du jeu (Bl, B2) entre l'extrémité de l'aube et la paroi interne 15 du carter est importante. Il est ainsi essentiel que ce jeu soit réduit. Ce jeu va être détaillé en relation avec la figure 2.

La figure 2 est une coupe faisant apparaître l'extrémité d'une aube 20 en regard de la coupe correspondante du carter 10. Pour permettre la rotation relative de l'aube 20 par rapport au carter 10, un jeu est aménagé entre l'aube et le carter. Celui-ci prend ainsi une valeur Bl en amont de l'aube et une valeur B2 en aval dans l'exemple représenté. La coupe fait apparaître les sections de trois rainures 11, 12 et 13 radiales ou sensiblement radiales. Ces trois rainures sont disposées en regard de l'extrémité de l'aube 20 ; elles peuvent s'étendre partiellement en amont ou en aval de cette extrémité. Ces rainures 11, 12 et 13 constituent un traitement de carter dont l'objectif est d'améliorer la marge au pompage dans la turbomachine dont fait partie la roue à aubes, tout en disposant d'un rendement optimal de la roue à aubes. Pour atteindre cet objectif, l'agencement des rainures conformément à l'invention fait apparaître des rainures 11, 12, 13 dont les surfaces de section respectives Sl, S2, S3 sont décroissantes de l'amont vers l'aval. Les rainures 11, 12 et 13 sont des rainures circulaires radiales qui font le tour du carter dans un plan perpendiculaire à l'axe F de celui-ci. Les surfaces Sl, S2, S3 décroissent linéairement. Cette décroissance de la surface des rainures de l'amont vers l'aval ainsi que la prééminence de la première rainure par rapport aux suivantes sont obtenues en faisant varier à la fois la largeur des rainures mais aussi leur profondeur.

Ainsi, la première rainure a la plus grande largeur Dl mesurée selon l'axe F du carter, mais aussi la plus grande profondeur El mesurée radialement. De manière similaire, les profondeurs de rainures décroissent, linéairement, de l'amont vers l'aval entre les trois rainures 11, 12, 13 et présentent ainsi des profondeurs El, E2, E3 linéairement décroissantes ; de même, les largeurs mesurées selon l'axe F du carter Dl, D2 et D3 respectivement des trois rainures sont-elles linéairement décroissantes de l'amont vers l'aval.

Pour minimiser les turbulences se produisant entre l'extrémité de l'aube 20 et la paroi du carter 10, les jeux entre l'extrémité de l'aube et la paroi 15 interne du carter 10 varient de manière continue entre l'amont et l'aval de la roue à aubes, A partir de l'extrémité de l'aube, ces jeux sont, de l'amont vers l'aval, un premier jeu Bl jusqu'à la paroi interne 15 du carter, un jeu Cl jusqu'à la surface de jonction 16 entre les rainures 11 et 12, un jeu C2 jusqu'à la surface de jonction 17 entre les rainures 12 et 13, et enfin un jeu B2 jusqu'à la paroi interne 15 du carter (La notion de jeu n'étant pas définie au droit des rainures 11, 12 et 13).

Pour permettre un passage régulier, peu générateur de turbulences à travers la roue à aubes au voisinage des extrémités radialement extérieures des aubes mobiles, les jeux Bl, Cl, C2, et B2 ont des valeurs proches. Corrélativement, on peut noter également que les surfaces de jonction 16 et 17 entre rainures, sont sensiblement cylindriques et ont des diamètres sensiblement égaux à un diamètre moyen entre le diamètre amont Al mesuré en amont de l'aube 20 et le diamètre A2 mesuré en aval de celle-ci.

Les rainures 11, 12, 13 représentées sur la figure 2 s'étendent radialement, c'est-à-dire chacune sensiblement dans un plan perpendiculaire à l'axe du carter. Selon une variante, ces rainures peuvent également être obliques, c'est-à-dire les rainures ne sont pas creusées perpendiculairement à la paroi 15 interne du carter, mais en oblique, soit vers l'amont, soit vers l'aval de la roue à aubes. Par ailleurs, en pratique la profondeur El des rainures varie typiquement de la moitié du jeu moyen jusqu'à trente fois celui-ci, le jeu moyen étant mesuré entre l'extrémité de l'aube 20 et la paroi interne 15 du carter 10. D'autre part, typiquement la profondeur, la surface et/ou la largeur de rainure est divisée par deux à cinq, entre la première rainure en amont du traitement de carter et la dernière rainure du traitement de carter.

Enfin, le mode de réalisation présenté sur la figure 2 comporte trois rainures, dont les sections présentent des surfaces régulièrement décroissantes. De nombreux autres modes de réalisation peuvent être utilisés. Notamment, au lieu d'avoir ces sections de surfaces régulièrement décroissantes, on peut avoir un premier groupe de rainures en amont,

ayant toutes une même surface de section, qui serait supérieure à celle commune aux autres rainures situées plus en aval.