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Patent Searching and Data


Title:
GUIDE VANE FOR A TURBOMACHINE FAN
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/122657
Kind Code:
A1
Abstract:
A guide vane (15) in an outer section of a turbofan engine contains oil cooling cavities which are located on one side of a main bending axis (Iz) of the vane (15) so that the differential thermal expansions compensate for the bending deformations caused by the aerodynamic forces exerted on the outer vane surface (16).

Inventors:
BORDONI, Nils, Edouard, Romain (PI - Rond-Point René Ravaud -Réau, MOISSY-CRAMAYEL, 77550, FR)
Application Number:
FR2018/053335
Publication Date:
June 27, 2019
Filing Date:
December 17, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SAFRAN AIRCRAFT ENGINES (2 boulevard du Général Martial Valin, PARIS, 75015, FR)
International Classes:
F01D5/18; F01D9/04; F01D9/06; F01D25/12; F02K3/06; F02K3/105
Domestic Patent References:
WO2002038938A12002-05-16
WO2002038938A12002-05-16
Foreign References:
US20140165570A12014-06-19
EP3179048A12017-06-14
US20170284417A12017-10-05
EP2383437A22011-11-02
US20140165570A12014-06-19
EP3179048A12017-06-14
US20170284417A12017-10-05
Attorney, Agent or Firm:
ILGART, Jean-Christophe (BREVALEX, 95 rue d'Amsterdam, PARIS CEDEX 8, 75378, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1) Aube (15) fixe de redresseur d'une soufflante (12) de turbomachine, comprenant deux extrémités (20, 21) opposées destinées à être montées sur un carter intérieur (3) et un carter extérieur (4), concentrique au carter intérieur, de la turbomachine, l'aube étant creuse et parcourue par un conduit principal (25) de circulation de fluide caloporteur s'étendant, à partir d'une entrée du fluide (23) à une première des extrémités (20) de l'aube, dans au moins une partie (29) de hauteur de l'aube, l'aube étant composée de sections, chacune à une position uniforme dans une direction radiale (R) de la turbomachine, les sections étant chacune composées d'une région centrale (40) et d'au moins une région extrême (41, 42) de part et d'autre d'un axe principal d'inertie (Iz) de flexion de la section, la région extrême (41, 42) incluant un bord d'attaque (17) et un bord de fuite (18) de l'aube, caractérisée en ce que, dans chaque section d'aube de la partie de hauteur de l'aube, le conduit principal (25) s'étend seulement dans la région centrale (40), ledit axe principal d'inertie (Iz) étant un axe autour duquel la section a un moment quadratique d'inertie minimal et l'aube (15) a une rigidité en flexion la plus petite.

2) Aube fixe de turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est aussi parcourue, dans la partie de hauteur de l'aube, par des conduits latéraux (27, 28) de circulation du fluide s'étendant entre le conduit principal et, respectivement, le bord d'attaque (17) et le bord de fuite (18) de l'aube, les conduits latéraux s'étendant entre une sortie du fluide (24) et un premier raccord (26), joignant des extrémités des conduits latéraux à une extrémité du conduit principal.

3) Aube fixe de turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que les conduits latéraux (27, 28) s'étendent, dans chaque section de la partie de hauteur de l'aube, dans ladite région extrême (41, 42).

4) Redresseur (14) de soufflante de turbomachine, comprenant un étage composé d'aubes (15) selon l'une quelconque des revendications précédentes.

5) Redresseur selon la revendication 4, les aubes étant conformes à la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un agencement (31, 32, 33, 34) d'inversion de sens de circulation d'huile soit dans le conduit principal, soit dans les conduits latéraux.

6) Turbomachine, comprenant une veine secondaire (6) et au moins une aube fixe selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.

7) Turbomachine, comprenant une soufflante (12) et le redresseur selon la revendication 5, immédiatement en aval de la soufflante.

Description:
AUBE FIXE DE TURBOMACHINE, DANS UN REDRESSEUR DE SOUFFLANTE

DESCRIPTION

Le sujet de l'invention est une aube fixe de turbomachine, située dans un redresseur de soufflante.

Certaines turbomachines connues comportent un double flux, et on en fera une description succincte au moyen de la figure 1. Le rotor 1 est entouré par un stator 2 comportant un carter intérieur 3, appelé aussi moyeu, et un carter extérieur 4, appelé aussi virole, concentriques. Une veine primaire 5 s'étend entre le rotor 1 et le carter intérieur 3, et une veine secondaire 6 entre le carter intérieur 3 et le carter extérieur 4. Des compresseurs 7, 8, puis des turbines 9, 10 s'étendent le long de la veine primaire 5 en amont et en aval d'une chambre de combustion 11. La machine comprend encore une soufflante 12 en amont des veines 5 et 6, composée d'aubes tournantes dont les sommets s'étendent jusqu'au carter extérieur 4, et à l'opposé, une tuyère 13 où les veines 5 et 6 convergent et leurs flux se rejoignent. Les aubes de la soufflante 12 offrent une première accélération à l'air entrant dans la machine, jointe à une compression et à une composante importante hélicoïdale de mouvement. Un redresseur 14, composé d'aubes fixes (souvent appelées OGV ou « Outlet Guide Vanes »), est ajouté pour redresser l'écoulement dans la veine extérieure 6, c'est-à-dire pour atténuer cette composante hélicoïdale d'écoulement. Les aubes fixes s'étendent dans la veine extérieure 6 et comprennent encore une partie d'extrémité, telle qu'une plate-forme, radialement intérieure reliée au carter intérieur 3, et une partie d'extrémité opposée, radialement extérieure et pouvant aussi être une plate-forme, reliée au carter extérieur 4. Dans certaines conceptions, les aubes du redresseur 14 ont un rôle structural, d'assurer la suspension du carter intérieur 3 à l'exclusion éventuellement de toute autre structure.

Une autre fonction possible pour les aubes du redresseur 14 est de permettre un échange de chaleur entre l'air de la veine extérieure 6 et un fluide caloporteur tel que l'huile lubrifiant la machine, entraînée dans un circuit de recyclage et soumise à un échauffement important. On lui fait parcourir pour cela des branches du circuit qui passent à travers certaines au moins des aubes du redresseur 14, puisque la veine extérieure 6 reste une partie froide de la machine, en l'absence de combustion des gaz, et la compression des gaz par la soufflante 12 étant modérée.

On observe que les aubes du redresseur 14 sont fortement sollicitées par la pression du flux secondaire et subissent des flexions qui peuvent être importantes. Comme le montre la figure 2, des filets d'air incidents V arrivent sur les aubes 15 du redresseur 14 en faisant un angle avec elles dans la région de bords d'attaque 17, avant d'être redressés pour former un écoulement de sortie W sensiblement dans la direction axiale X de la machine, après avoir glissé sur des faces d'intrados 19 et quitté les aubes 15 par des bords de fuite 18. Les sollicitations exercées par la réaction de l'air sur les aubes 15 qui le dévient se traduisent par des forces de flexion. On va maintenant considérer une division de l'aube 15 en sections empilées, dont chacune est à une hauteur, ou à une position radiale, uniforme, entre les extrémités de l'aube 15 raccordées au carter intérieur 3 et au carter extérieur 4. Ces sections de l'aube 15, perpendiculairesà une direction radiale R perpendiculaire à la direction axiale X, possèdent des moments s

quadratiques d'inertie (calculables par la formule classique 1 = åm r 2 où m est la masse d'un point de la section S, et r sa distance à l'axe passant par la section, autour duquel le moment est calculé) qui permettent de définir deux axes principaux d'inertie, autour desquels les moments quadratiques sont respectivement maximal et minimal. Le premier de ces axes principaux est noté ly et correspond à l'axe autour duquel l'aube 15 a la rigidité en flexion la plus grande, et l'autre est noté Iz et correspond à l'axe autour duquel sa rigidité en flexion est la plus petite. L'aube 15 sera donc fléchie à chacune de ses sections, surtout autour de l'axe Iz par la composante notée Tz des efforts exercés sur la section S, perpendiculaire à cet axe Iz qu'on va considérer en rapport avec l'invention. L'axe principal d'inertie Iz fait typiquement un angle assez petit (20° à 30°) avec la direction axiale X de la machine et divise la section de l'aube 15 en une région centrale 40, limitée aussi par la portion centrale d'une face d'extrados 16, et une région complémentaire, comprenant le bord d'attaque 17 et le bord de fuite 18, et ici divisée en deux régions extrêmes 41 et 42, comprenant respectivement ces bords. Le cumul des efforts de pression sur toutes les sections des aubes 15 a pour effet de les déformer en flexion dans la direction angulaire de la machine, et de produire une rotation du carter extérieur 4 qui a divers inconvénients : flexion et désalignement des servitudes passant par les aubes 15 ou en aval d'elles, désalignement de l'arbre radial (utilisé pour la transmission de puissance entre la turbomachine proprement dite et des équipements annexes de démarreurs, générateurs, etc.) avec une usure accrue des paliers et dentures d'engrenages, et, dans le cas d'une suspension du carter intérieur 3 par les aubes 15, un désalignement des structures de nacelle et un blocage possible des inverseurs de poussée.

Un but principal de l'invention a été de contrecarrer cette rotation due à la composante hélicoïdale de l'écoulement d'air issu de la soufflante 12 et la flexion correspondante des aubes 15 du redresseur 14.

L'art antérieur proche comprend WO 02/38938 Al, US 2014/165570 Al, EP 3 179 048 Al et US 2017/284417 Al.

Un premier aspect de l'invention est une aube fixe de redresseur d'une soufflante de turbomachine, comprenant deux extrémités opposées destinées à être montées sur un carter intérieur et un carter extérieur, concentrique au carter intérieur, de la turbomachine, l'aube étant creuse et parcourue par un conduit principal de circulation de fluide caloporteur s'étendant, à partir d'une entrée du fluide à une première des extrémités de l'aube, dans au moins une partie de hauteur de l'aube, l'aube étant composée de sections planes et empilées, chacune à une position uniforme dans une direction radiale de la turbomachine et chacune composées d'une région centrale et d'au moins une région extrême de part et d'autre d'un axe principal d'inertie de flexion de la section (et appartenant donc au plan de la section), la région extrême incluant un bord d'attaque et un bord de fuite de l'aube, caractérisée en ce que, dans chaque section d'aube de la partie de hauteur de l'aube, le conduit principal s'étend seulement dans la région centrale, ledit axe principal d'inertie étant un axe autour duquel la section a un moment quadratique d'inertie minimal et l'aube a une rigidité en flexion la plus petite.

L'effet technique de l'invention peut être résumé comme ceci. La flexion, s'exerçant dans l'aube entre son rayon intérieur et son rayon extérieur, la déforme en exerçant une contraction dans la région centrale et une dilatation dans les régions extrêmes. Le fluide parcourant la cavité de l'aube étant plus chaud, il produit des dilatations thermiques. En faisant exercer cette dilatation dans la région centrale, l'aube subit une dilatation thermique différentielle qui produit une flexion opposée à la flexion produite par les efforts aérodynamiques, et réduit ou annule donc la rotation du carter extérieur par rapport au carter intérieur.

Cette disposition peut être retenue ou non pour toute la hauteur des aubes ou pour une portion seulement de cette hauteur, par exemple à l'endroit où la compression aérodynamique est la plus forte.

En renforçant les aubes 15 de cette façon, il sera possible de les alléger en renonçant à des renforts statiques ou des augmentations d'épaisseur indispensables autrement.

Si l'aube est aussi parcourue, dans la partie principale, par des conduits secondaires de circulation du fluide assurant le retour de celui-ci vers le circuit de lubrification en sens opposé au conduit principal, il est avantageux que les conduits secondaires s'étendent dans les régions extrêmes. Le fluide caloporteur transporté a déjà été refroidi avant d'entrer dans les conduits secondaires, et il est donc à une température moyenne moins élevée que dans le conduit principal. Grâce à cette disposition, les retours du fluide, refroidi et donc moins apte à contribuer à la dilatation thermique différentielle, restent à l'écart de la région centrale, qui peut être occupée plus complètement par le conduit principal, plus utile à l'effet de l'invention.

Le conduit principal central, et les conduits secondaires, quand ils existent, peuvent tous être divisés en conduits parallèles sans changer à la nature de l'invention. Dans des réalisations complexes, on pourra donc trouver un réseau de conduits dans la région centrale, assurant plus particulièrement l'effet de l'invention et occupant éventuellement toute la région centrale ou la plupart de sa superficie, et un ou deux réseaux de conduits secondaires d'un côté ou des deux côtés du réseau central, éventuellement mais pas nécessairement disposés dans les régions extrêmes, sans imbrication des réseaux les uns dans les autres, l'axe principal d'inertie les séparant complètement dans des réalisations particulièrement caractéristiques. Un autre aspect de l'invention est un redresseur de soufflante de turbomachine, pouvant être à double flux, comprenant un étage d'aubes fixes selon ce qui précède. Ce redresseur peut être situé immédiatement en aval d'une soufflante.

Et une réalisation préférée du redresseur est caractérisée par un agencement d'inversion de sens de circulation du fluide soit dans le conduit principal, soit dans les conduits latéraux.

Les différents aspects, caractéristiques et avantages de l'invention seront maintenant décrits plus en détail au moyen des figures suivantes, qui représentent certaines réalisations préférées, mais purement illustratives de celle-ci :

- la figure 1, déjà décrite, représente une turbomachine à double flux ;

- la figure 2, également décrite, évoque le problème technique résolu par l'invention ;

- la figure 3 représente une coupe transversale d'une aube conforme à l'invention ;

- la figure 4 représente une vue en perspective de l'aube ; et

- les figures 5 et 6 représentent chacune une illustration schématique d'une variante de réalisation.

On se reporte directement aux figures 3 et 4. L'aube 15 équipée de l'invention comporte une extrémité intérieure 20 fixée au carter intérieur 3, et une extrémité extérieure 21 fixée au carter extérieur 4. Un circuit de lubrification 22 à l'huile est présent dans la machine, par exemple sous le carter intérieur 3. Il comprend un conduit d'alimentation 23 par laquelle l'huile entre dans l'aube 15 situé en aval d'un dispositif lubrifié où l'huile a été exposée à des frottements et des contacts de solides chauds (paliers par exemple) ; l'huile est alors chaude, et apte à céder une chaleur plus importante à l'aube 15, et y produire une dilatation thermique locale plus grande. Le circuit comprend encore un conduit de sortie 24 par lequel l'huile sort de l'aube 15 ; l'huile qui a alors été refroidie par le passage dans l'aube 15, est moins apte à céder de la chaleur, et produit des dilatations thermiques locales plus petites. Le conduit d'alimentation 23 se prolonge dans l'aube 15 par une cavité appelée conduit central 25, dans lequel l'huile s'élève en direction radiale R ou de hauteur de l'aube 15 avant d'arriver à un raccord dit supérieur 26 (d'après l'orientation de la figure 3, où « supérieur » équivaut à « plus proche du carter extérieur 4 ») où l'écoulement d'huile se disperse avant de retomber dans des conduits latéraux 27 et 28, parallèles au conduit central 25 et que l'huile refroidie parcourt en sens inverse, vers l'extrémité intérieure 20, avant de rejoindre le conduit de sortie 24 qui ramène l'huile au dispositif lubrifié. Les conduits 25, 27 et 28 s'étendent sur une partie 29 de hauteur de l'aube 15 qui peut englober toute la hauteur ou presque de l'aube 15, et il est en tout cas avantageux qu'ils s'étendent à travers une portion principale, englobant la ligne de mi-hauteur 30 (à mi- distance radiale des carters 3 et 4) et pouvant comprendre environ la moitié de la hauteur de l'aube 15 entre lesdits carters 3 et 4. Le raccord supérieur 26 peut être proche de l'extrémité extérieure 21, mais cette condition n'est pas indispensable. Dans d'autres réalisations possibles de l'invention, le circuit de lubrification 22 pourrait s'étendre dans le carter extérieur 4, et la disposition générale des conduits 25, 27 et 28 serait alors inversée. Dans d'autres réalisations encore possibles, les conduits 27 et 28 latéraux pourraient être omis, ainsi que le raccord supérieur 26, et le conduit d'alimentation 23 et le conduit de sortie 24 se brancheraient alors tous deux à des extrémités opposées du conduit central 25 en s'étendant dans le carter intérieur 3 pour l'un, dans le carter extérieur 4 pour l'autre.

Il est préconisé, au moins pour la partie 29 de hauteur de l'aube 15, que le conduit central 25 s'étende dans la région centrale 40 et donc entre la portion centrale de la face d'extrados 16 et l'axe principal d'inertie Iz, afin que les dilatations thermiques les plus importantes produites par la chaleur cédée par l'huile bénéficient aux régions de l'aube 15 qui subissent le plus la compression produite par les efforts aérodynamiques. Les conduits latéraux 27 et 28, étant parcourus par de l'huile déjà refroidie, exercent des dilatations thermiques moins importantes : il est donc indiqué que ces dilatations soient situées à des endroits de l'aube 15 qui, étant en moyenne plus proches de l'axe principal Iz, voire du côté opposé de cet axe, subissent moins de compression produite par la flexion aérodynamique ou subissent au contraire une extension. C'est pourquoi, il est avantageux que les conduits latéraux 27 et 28 s'étendent dans les régions extrêmes 41 et 42. L'axe principal d'inertie Iz pour lequel le moment d'inertie quadratique de la section est minimal, et la résistance de l'aube 15 à la flexion et à cette section est aussi minimale, sépare donc parfaitement le conduit central 25 des conduits latéraux 27 et 28 de retour de fluide caloporteur. Avantageusement, le conduit central 25 occupe la plus grande partie de la superficie de la région centrale 40 ; et les conduits latéraux 27 et 28 peuvent occuper la plus grande partie des superficies des régions extrêmes 41 et 42 respectives.

Des cloisons relativement minces et d'épaisseur uniforme délimitent l'aube 15 et séparent les conduits 25, 27 et 28. Une de ces cloisons 43 sépare le conduit central 25 du conduit latéral 27 situé vers le bord d'attaque 17, l'autre de ces cloisons 44 sépare le conduit central 25 de l'autre conduit latéral 28, situé vers le bord de fuite 18. Les cloisons 42 et 43 s'étendent, dans cette réalisation, à peu près dans le prolongement l'une de l'autre et à l'endroit de l'axe principal Iz. Ainsi, le conduit central 25 s'étend exclusivement dans le côté de l'aube 15 qui subit la compression. Dans cette réalisation, les conduits latéraux 27 et 28 s'étendent de l'autre côté de l'axe Iz. Ils pourraient aussi occuper une partie de la région centrale 40.

Les différents conduits 25, 27 et 28 pourraient tous être divisés en plusieurs conduits parallèles. Dans la réalisation représentée, ils sont tous rectilignes, ce qui n'est pas indispensable. Les épaisseurs de parois de l'aube 15 sont identiques du côté de l'extrados 16 et du côté de l'intrados 19 pour les différents conduits 25, 26 et 27, ce qui n'est pas non plus indispensable, et le conduit central 25 pourrait par exemple être plus proche de l'extrados 16.

On voit que l'effet technique de l'invention est produit surtout par le conduit central 25, les conduits latéraux 27 et 28 n'étant pas indispensables (ou pouvant être laissés vides d'huile). On peut alors proposer un agencement un peu plus complexe, représenté aux figures 5 et 6, pour produire à volonté un mode de fonctionnement différent, dans lequel la dilatation thermique différentielle n'est pas exploitée. En se reportant aux figures 5 et 6, le circuit d'huile précédent est complété par une dérivation 31, reliant au raccord supérieur 26 l'un des conduits d'alimentation 23 et de sortie 24 par une première vanne 32 ; un raccord inférieur 33 entre les conduits 25, 27 et 28, à l'extrémité opposée au raccord supérieur 26 est ajouté ; et une deuxième vanne 34, installée sur le même conduit d'alimentation 23 ou de sortie 24 que la première vanne 32, est disposée à la jonction du conduit qui le prolonge dans l'aube 15 (ici le conduit central 25) du raccord inférieur 33. Ici aussi, « supérieur » et « inférieur » font référence à l'orientation des figures 3, 5 et 6 et équivalent à « plus proche du carter extérieur 4 » et « plus proche du carter intérieur 3 » respectivement.

A l'état de la figure 5, la première vanne 32 ferme la dérivation 31 et la seconde vanne 34 ferme la communication entre le conduit central 25 et le raccord inférieur 33 : le fonctionnement est le même que précédemment, avec des circulations d'huile inverses entre le conduit central 25 et les conduits latéraux 27 et 28, les vannes 32 et 34 permettant la circulation du conduit d'alimentation 23 vers le conduit central 25. Mais à l'état de la figure 6 où les deux vannes 32 et 34 sont commutées, l'huile chaude est envoyée dans la dérivation 31, puis dans le raccord supérieur 26, avant de s'écouler dans le même sens, vers le bas de la figure, dans les trois conduits 25, 27 et 28. La seconde vanne 34 permet alors une communication entre le conduit central 25 et le raccord inférieur 33, ce qui permet à l'huile ayant parcouru le conduit central 25 de parvenir directement au conduit de sortie 24.

L'invention a été décrite en liaison à un circuit de lubrification à l'huile. Elle pourrait être mise en pratique avec d'autres fluides caloporteurs, sans changement de forme de l'aube 15, qui offriraient la même relation d'échange de chaleur.