FR2927673A1 - Aube de soufflante avec aspiration en pied et soufflage en tete - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une aube (10) de soufflante de turbomachine possédant une première face (17) qui est en fonctionnement normal de la turbomachine une face basse pression, un pied (12), une tête (14), un bord d'attaque (15) et un bord de fuite (16), la première face (17) s'étendant radialement du pied (12) à la tête (14), et axialement du bord d'attaque (15) au bord de fuite (16). Cette aube (10) est percée d'au moins une cheminée (31, 32) débouchant à une extrémité par des orifices d'entrée (20) situés vers le pied (12) de l'aube (10) sur la première face (17), et à son autre extrémité par des orifices de sortie (40) situés à la tête (14) de l'aube (10), la au moins une cheminée (31, 32) étant destinée à acheminer depuis les orifices d'entrée (20) vers les orifices de sortie (40) exclusivement un faible pourcentage de l'air entrant dans la turbomachine selon son axe principal et longeant l'aube (10) de la soufflante en fonctionnement normal.

Description

La présente invention concerne une aube de soufflante de turbomachine possédant une première face qui est en fonctionnement normal de la turbomachine une face basse pression, un pied, une tête, un bord d'attaque et un bord de fuite, la première face s'étendant radialement du pied à la tête de l'aube, et axialement du bord d'attaque au bord de fuite de l'aube. Dans la description qui suit les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal de l'air au travers de la turbomachine.

La figure 1 représente la partie amont d'une turbomachine. A l'extrémité amont de cette turbomachine se trouve un nez conique centré sur l'axe principal de la turbomachine, et qui s'évase de l'amont vers l'aval. Ce nez conique se prolonge par une plateforme 80 annulaire sur laquelle sont montées des aubes 10 qui s'étendent sensiblement radialement vers l'extérieur depuis la plateforme 80 jusqu'à proximité du carter 90 annulaire centré sur l'axe principal de la turbomachine. Les aubes 10 sont réparties sur la circonférence de la plateforme 80. La soufflante est l'ensemble comprenant les aubes 10 et la plateforme 80. Le pied 12 d'une aube 10 est la partie radialement intérieure de l'aube 10, à son intersection avec la plateforme 80 supportant l'aube 10. La tête 14 d'une aube 10 est son extrémité radialement extérieure, à proximité du carter 90. Les aubes 10 sont mobiles (elles tournent avec la plateforme 80 et le nez conique autour de l'axe principal lorsque la turbomachine est en fonctionnement) et les têtes 14 des aubes 10 ne touchent pas le carter 90. Les normes de certification acoustique d'un avion, spécialement lors des phases de décollage et d'atterrissage, imposent des restrictions de plus en plus sévères sur le bruit généré par les moteurs (turbomachine) équipant l'avion. Le bruit généré par les turbomachines trouve en grande partie son origine dans la rotation des soufflantes. Le bruit causé par la rotation à grande vitesse de la soufflante possède deux composantes : une première composante est le bruit propre à la soufflante, qui est du au développement de structures turbulentes dans les couches limites sur les aubes de soufflante. La seconde composante est le bruit causé par l'interaction des tourbillons générés en tête des aubes de la soufflante avec la couche limite à la surface du carter

90 et avec les aubes 100 du redresseur situées en aval de la soufflante (voir figure 1). Il est donc nécessaire d'agir sur ces deux composantes afin d'obtenir une réduction suffisante du bruit généré par une turbomachine.

Une technique adoptée jusqu'à ce jour pour aboutir à des aubes générant moins de bruits consiste à prendre en compte les critères acoustiques dès la phase de conception de l'aube afin optimiser la forme en 3 dimensions de l'aube. Cependant les contraintes imposées par les exigences de performance de la turbomachine limitent les possibilités de réduction du bruit par cette méthode. L'invention vise à proposer une aube de soufflante qui permette de réduire le bruit généré par cette soufflante sans affecter ses performances. Ce but est atteint grâce au fait que l'aube est percée d'au moins une cheminée débouchant à une extrémité par des orifices d'entrée situés vers le pied de l'aube sur la première face, et à son autre extrémité par des orifices de sortie situés à la tête de l'aube, la au moins une cheminée étant destinée à acheminer depuis les orifices d'entrée vers les orifices de sortie exclusivement un faible pourcentage de l'air entrant dans la turbomachine selon son axe principal et longeant l'aube de la soufflante en fonctionnement normal. Grâce à ces dispositions, la force centrifuge générée par la rotation de la soufflante entraîne de l'air au travers de chaque aube par la ou les cheminées, depuis le pied de l'aube vers la tête de l'aube. Ainsi, les tourbillons en tête d'aube de soufflante sont partiellement détruits par l'air éjecté par les orifices de sortie. L'interaction de ces tourbillons avec les aubes situées en aval est donc diminuée, et le bruit généré par cette interaction est minimisé. De plus, les couches limites en pied d'aube sont aspirées par l'air entrant dans la ou les cheminées par les orifices d'entrée.

Ces couches limites sont donc réduites, et le bruit propre généré par ces couches limites est diminué. Avantageusement, les orifices d'entrée sont répartis dans les 40010 de la surface de l'aube les plus proches du pied de l'aube. Les orifices d'entrée sont ainsi plus éloignés radialement des orifices de sortie, et la force centrifuge entre ces orifices d'entrée et de sortie,

étant plus élevée, est apte à acheminer l'air plus facilement le long de la ou les cheminées depuis les orifices d'entrée vers les orifices de sortie. 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 : û la figure 1 est une coupe longitudinale d'une soufflante de turbomachine selon l'art antérieur, la figure 2 est une vue en perspective d'une aube de soufflante selon l'invention, la figure 3A est une section longitudinale selon la ligne III-III de la figure 2 d'une aube de soufflante selon l'invention, la figure 3B représente une section transversale selon la ligne B-B de la figure 3 d'une aube de soufflante selon l'invention au niveau de sa région centrale, la figure 3C représente une section transversale selon la ligne C-C de la figure 3 d'une aube de soufflante selon l'invention au niveau de sa tête, la figure 4 est une vue de face du pied d'une aube de soufflante selon un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 2 représente une aube 10 de soufflante selon l'invention. Cette aube 10 est portée par une plateforme 80. L'aube possède un bord d'attaque 15 en amont, un bord de fuite 16 en aval. L'aube 10 s'étend radialement depuis son pied 12, qui est son extrémité radialement inférieure où elle est fixée sur la plateforme 80, jusqu'à sa tête 14, qui est son extrémité radialement extérieure. L'aube 10 a une forme incurvée en trois dimensions, et possède ainsi une première face 17 convexe, et une seconde face 18 concave. La première face 17 est la face basse pression en fonctionnement normal de la turbomachine (cette face est appelée également extrados), et la seconde face 18 est la face haute pression (cette face est appelée également intrados). La première face 17 et la seconde face 18 est donc chacune bordée par le pied 12, la tête 14, le bord d'attaque 15 et le bord de fuite 16 de l'aube 10. En fonctionnement normal de la soufflante, l'air circule entre les 35 aubes 10 selon la flèche F, du bord d'attaque 15 vers le bord de fuite 16 de chaque aube 10.

La face basse pression (ou première face) 17 de l'aube 10 est percée de plusieurs orifices d'entrée 20 qui débouchent dans une ou plusieurs cheminées creusées dans l'aube 10. Ces orifices d'entrée 20 ne débouchent pas sur la seconde face 18 de l'aube 10. Sur la figure 3A il est représenté le cas où l'aube 10 comporte deux cheminées 31 et 32. Les orifices d'entrée 20 sont situés dans la région de l'aube 10 qui est plus proche de son pied 12. Les cheminées 31, 32 s'étendent depuis sensiblement le pied de l'aube jusqu'à la tête 14 de l'aube 10. Les cheminées 31, 32 débouchent au niveau de la tête 14 par des orifices de sortie 40. Les orifices de sortie 40 sont répartis à l'extrémité la plus radialement extérieure de l'aube 10, c'est-à-dire sur la partie de la tête 14 de l'aube 10 qui relie les extrémités radialement extérieures du bord d'attaque 15 et du bord de fuite 16. Les cheminées 31, 32 sont entièrement noyées dans le volume de l'aube 10, et n'en débouchent que par les orifices d'entrée 20 et les orifices de sortie 40. La force centrifuge à laquelle est soumis un point d'un corps en rotation autour d'un axe est proportionnelle à la distance de ce point à cet axe. Ainsi, dans le cas de l'aube 10 de soufflante qui tourne autour de l'axe principal de la turbomachine (visible sur la figure 1), la tête 14 de l'aube 10 est soumise à une force centrifuge environ deux fois plus importante que la force centrifuge à laquelle est soumise le pied 12 de l'aube 10. Cette différence de force centrifuge entre le pied et la tête de l'aube est suffisante pour qu'il ne soit pas nécessaire d'utiliser un dispositif de pompage pour acheminer l'air des orifices d'entrée 20 vers les orifices de sortie 40. Les orifices d'entrée 20, les cheminées 31, 32 et les orifices de sortie 40 constituent donc un système d'auto aspiration qui permet d'acheminer un débit d'air de pied 12 de l'aube 10 vers la tête 14 de l'aube 10 uniquement par utilisation de la force centrifuge. Si l'aube 10 comporte une seule cheminée, la section de cette cheminée doit être suffisamment grande pour que le débit d'air aspiré par les orifices d'entrée 20 soit suffisant. La taille de cette section est cependant limitée par le volume de l'aube 10. En effet, si le creusement de cette cheminée enlève trop de matière à l'aube 10, la résistance mécanique de l'aube 10 sera insuffisante. Cette résistance mécanique diminue également lorsque la taille de la cheminée augmente, compte tenu de la forme aplatie de cette cheminée. Cette forme aplatie est due au

fait que l'aube 10 a elle-même une forme aplatie, ses dimensions axiale (du bord d'attaque 15 au bord de fuite 16) et radiale (du pied 12 à la tête 14) étant plus importantes que son épaisseur (distance entre sa première face 17 et sa seconde face 18). Il est donc préférable que plusieurs cheminées connectent les orifices d'entrée et les orifices de sortie. Par exemple l'aube comporte deux cheminées, à savoir une première cheminée 31 et une deuxième cheminée 32, comme représenté sur les figures 3A, 3B, 3C. Dans ce cas, une moitié des orifices d'entrée 20 débouche dans la première cheminée 31, et l'autre moitié des orifices d'entrée débouche dans la deuxième cheminée 32. En passant de l'extérieur de l'aube 10 à l'intérieur de l'aube (c'est-à-dire dans les cheminées 31, 32) par les orifices d'entrée 20, la vitesse de l'air augmente (passage d'un écoulement d'une région avec une section de surface importante à une région avec une section de surface plus faible).

Or les pertes aérodynamiques de l'air augmentent avec sa vitesse. La surface de la section de chacune des cheminées 31, 32 ne doit donc pas être trop faible, afin que la vitesse de l'air s'écoulant dans chaque cheminée 31, 32 ne soit pas trop élevée. Il est donc préférable que l'aube 10 ne soit pas percée de plus de trois cheminées.

Alternativement, l'aube 10 peut être percée d'une cheminée double, c'est-à-dire une cheminée qui possède un seul canal initial au niveau des orifices d'entrée 20, et qui, dans sa partie centrale, se scinde en deux canaux, chaque canal débouchant en tête de l'aube 10 par une moitié des orifices de sortie 40. Chaque canal a une section sensiblement égale à la moitié de la section du canal initial. De préférence, la somme des surfaces des sections des orifices d'entrée 40 est inférieure à la somme de la surface de la section de la première cheminée 31 et de la surface de la section de la deuxième cheminée 32 (ou alternativement à la section de la cheminée si l'aube 10 n'est possède qu'une), afin que le débit d'air dans chaque orifice d'entrée 40 ne soit pas trop faible. Plus généralement, la somme des surfaces des sections des orifices d'entrée 40 est inférieure à la surface de la section de la au moins une cheminée. De préférence, la somme des surfaces des sections des orifices 35 d'entrée 20 est sensiblement égale à la somme des surfaces des sections des orifices de sortie 40.

La section de chaque cheminée 31, 32 est sensiblement constante depuis les orifices d'entrée 20 sur toute la hauteur de cette cheminée. Ainsi, l'épaisseur de la première cheminée 31 (c'est-à-dire sa dimension perpendiculaire aux première face 17 et seconde face 18 de l'aube 10) à proximité des orifices de sortie 40 (où cette première cheminée s'élargit) est plus faible que l'épaisseur de la première cheminée 31 sur le reste de sa longueur, comme cela est représenté sur les figures 3B et 3C. De même, l'épaisseur de la deuxième cheminée 32 à proximité des orifices de sortie 40 (où cette deuxième cheminée s'élargit) est plus faible que l'épaisseur de la deuxième cheminée 32 sur le reste de sa longueur. Cette diminution d'épaisseur des cheminées 31, 32 découle de la diminution d'épaisseur de l'aube 10 entre son pied 12 et sa tête 14. Dans le cas où l'aube 10 possède deux cheminées, la première cheminée 31 débouche par la moitié des orifices de sortie 40 qui sont les plus en amont sur la tête 14 de l'aube 10, tandis que la deuxième cheminée 32 (située plus en aval que la première cheminée 31) débouche par la moitié des orifices de sortie qui sont les plus en aval sur la tête 14. Cette géométrie des cheminées 31, 32 permet de minimiser la quantité de matière enlevée dans l'aube pour former ces cheminées.

Par exemple, la première cheminée 31 relie au moins une partie des orifices d'entrée 20 à un premier groupe 41 d'orifices de sortie 40, et une deuxième cheminée 32 relie au moins une partie des orifices d'entrée 20 à un deuxième groupe 42 d'orifices de sortie 40 qui sont situés en aval du premier groupe 41.

Cette situation est illustrée sur la figure 3A, les orifices de sortie 40 se répartissant entre un premier groupe 41 constitué des orifices de sortie situés entre le bord d'attaque 15 et sensiblement le milieu de la tête 14, et un deuxième groupe 42 constitué des orifices de sortie situés entre le milieu de la tête 14 et le bord de fuite 16. La première cheminée 31 débouche par le premier groupe 41 d'orifices, et la deuxième cheminée 32 débouche par le deuxième groupe 42 d'orifices. Les orifices d'entrée 20 sont répartis dans les 40% de la hauteur de l'aube 10 les plus proches du pied 12. Par exemple les orifices d'entrée 20 sont répartis entre les 5% et les 40% de la hauteur de l'aube 10 les plus proches du pied 12. En effet, les calculs effectués par les inventeurs ont montrés que si les orifices d'entrée 20 ne sont pas suffisamment éloignés

des orifices de sortie 40, alors la différence de force centrifuge entre les orifices d'entrée 20 et de sortie 40 ne génère pas un débit suffisant entre ces orifices d'entrée 20 et ces orifices de sortie 40. Le pourcentage de l'air entrant dans la ou les cheminées est inférieur à 2%, de préférence inférieur à 1% de l'air longeant l'aube 10. Cet air longeant l'aube 10 est l'air passant entre la première face 17 de l'aube 10 et l'aube adjacente à l'aube 10 qui est en regard de cette première face 17. Il est important que ce pourcentage d'air prélevé reste faible, car si le débit d'air dans les cheminées 31, 32 est trop important, moins d'air passe au travers de la soufflante, et son rendement est diminué de façon préjudiciable. De plus, les pertes par frottement dans les cheminées étant proportionnelles au débit d'air qui y est acheminé, le rendement global de la soufflante est affecté si trop d'air entre dans les cheminées. Le débit d'air prélevé est proportionnel à la vitesse de rotation de la soufflante.

Les orifices de sortie 40 sont répartis le long de la tête 14 de l'aube 10 entre 5°d% et 95% de la longueur de la tête 14 depuis le bord d'attaque 15 de l'aube 10. Compte tenu de la faible largeur de la tête 14 de l'aube 10, les orifices de sortie 40 sont alignés sur une seule ligne. Les orifices de sortie 40 sont orientés sensiblement dans le sens radial, de telle sorte que l'air émergeant des orifices de sortie 40 est dirigé radialement vers l'extérieur. Alternativement, les orifices de sortie 40 peuvent être en plus orientés vers l'amont, de telle sorte que l'air émergeant de ces orifices de sortie 40 est dirigé à la fois radialement vers l'extérieur et vers le bord d'attaque 15 de l'aube 10. Cette configuration amplifie potentiellement l'effet de blocage aérodynamique qui limite la recirculation indésirable d'air de l'intrados (seconde face 18) vers l'extrados (première face 17) en tête d'aube. Les orifices d'entrée sont répartis sur la moitié de la surface de l'aube 10 la plus proche du bord de fuite, c'est-à-dire, en considérant des cordes reliant le bord d'attaque 15 au bord de fuite 16, le long de la moitié de chacune de ces cordes qui est la plus proche du bord de fuite 16. Les orifices d'entrée 20 sont de préférence répartis entre les 40% et 20% de la surface de l'aube 10 les plus proches du bord de fuite 16 de l'aube 10.

En effet, c'est dans cette région que la couche limite au pied 12 de l'aube 10 est la plus épaisse. Les orifices d'entrée 20 ainsi situés sont donc plus efficaces pour aspirer la couche limite en pied 12 d'aube 10, ce qui améliore le rendement aérodynamique de l'aube 10, et diminue le bruit propre de la soufflante. De plus, la réduction de la couche limite en pied 12 d'aube 10 5 entraîne une amélioration du rendement de la soufflante. Les orifices d'entrée 20 sont suffisamment petits pour minimiser les concentrations de contraintes susceptibles de conduire à une rupture de l'aube 10 sous l'effet de la force centrifuge. Les orifices d'entrée 20 doivent donc être suffisamment nombreux pour qu'au total le débit d'air 10 voulu soit prélevé et pénètre dans les cheminées 31, 32. En même temps, ces orifices d'entrée 20 ne doivent donc pas être trop nombreux, afin de minimiser les coûts de fabrication de l'aube 10. Les orifices d'entrée 20 sont par exemple répartis en plusieurs colonnes C (une colonne étant orientée selon la direction du pied 12 vers 15 la tête 14 de l'aube). Ces orifices d'entrée 20 forment ainsi également des lignes L qui sont sensiblement perpendiculaires aux colonnes C. Les orifices d'entrée 20 sont ainsi répartis au sommet des cases d'un damier. Pour minimiser la concentration de contraintes résultant du rassemblement de tous ces orifices d'entrée 20 dans une même zone, il 20 est préférable que les colonnes C soient espacées les unes des autres. En effet, la force centrifuge, qui est la force principale agissant sur l'aube 10, est parallèle aux colonnes d'orifices d'entrée 20. Plus les colonnes C sont espacées les unes des autres, plus deux orifices d'entrée 20 situés sur une même ligne L dans deux colonnes C adjacentes seront éloignés les uns 25 des autres. Ces deux orifices d'entrée 20 adjacents génèreront donc une concentration de contraintes moins importante. Il est préférable aussi que les orifices d'entrée soient disposés en quinconce entre deux colonnes adjacentes, comme représenté sur la figure 2. Ainsi, la distance entre deux orifices d'entrée 20 d'une même 30 ligne L est plus grande. Dans une même colonne C, les orifices d'entrée 20 peuvent être rapprochés les uns des autres, car il est connu que lorsque deux trous sont alignés avec la direction de la force principale, la concentration de contraintes générée au bord d'un de ces trous est inférieure à la 35 concentration de contraintes générée par un seul de ces trous.

Alternativement, les orifices d'entrée 20 peuvent être des trous oblongs orientés du pied vers la tête de l'aube, comme représenté sur la figure 4. La forme et l'orientation de ces trous oblongs permet une pénétration plus facile de l'air dans les cheminées. Sur la figure 4, les orifices d'entrée 20 entre deux colonnes C adjacentes ne sont pas disposés en quinconce, de telle sorte que les orifices d'entrée 20 sont répartis en lignes L qui sont perpendiculaires aux colonnes C. Alternativement, les orifices d'entrée 20 entre deux colonnes C adjacentes peuvent être disposés en quinconce.

Au travers de l'épaisseur de la paroi de la première face 17 qu'ils traversent, les orifices d'entrée 20 sont perpendiculaires à cette paroi. Alternativement les orifices d'entrée 20 peuvent être orientés en partie vers le bord d'attaque 16 de l'aube 10, c'est-à-dire que l'axe d'un orifice d'entrée 20 est orienté, depuis l'extérieur de la paroi de la première face 17 vers la cheminée, sensiblement de l'amont vers l'aval. Ainsi, les orifices d'entrée 20 sont orientés sensiblement dans le sens de l'écoulement de l'air longeant la paroi de la première face 17, de telle sorte que cet air pénètre plus naturellement dans ces orifices d'entrée 20. La description ci-dessus a été faite dans le cas où l'aube 10 est percée de deux cheminées. Cette description est également valable dans le cas où cette aube est percée d'une seule cheminée, ou de plus de deux cheminées. La présente invention concerne également une turbomachine dont la soufflante comporte une aube 10 telle que décrite ci-dessus.

Par exemple, chaque aube de la soufflante de cette turbomachine est une aube 10 telle que décrite ci-dessus.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Aube (10) de soufflante de turbomachine possédant une première face (17) qui est en fonctionnement normal de la turbomachine une face basse pression, un pied (12), une tête (14), un bord d'attaque (15) et un bord de fuite (16), ladite première face (17) s'étendant radialement dudit pied (12) à ladite tête (14), et axialement dudit bord d'attaque (15) audit bord de fuite (16), ladite aube (10) étant caractérisée en ce qu'elle est percée d'au moins une cheminée (31, 32) débouchant à une extrémité par des orifices d'entrée (20) situés vers ledit pied (12) sur ladite première face (17), et à son autre extrémité par des orifices de sortie (40) situés à ladite tête (14), ladite au moins une cheminée (31, 32) étant destinée à acheminer depuis lesdits orifices d'entrée (20) vers lesdits orifices de sortie (40) exclusivement un faible pourcentage de l'air entrant dans ladite turbomachine selon son axe principal et longeant ladite aube (10) de la soufflante en fonctionnement normal.

2. Aube (10) de soufflante selon la revendication 1 caractérisée en ce que le pourcentage de l'air entrant dans ladite au moins une cheminée (31, 32) est inférieur à 2%, de préférence inférieur à 1% de l'air longeant ladite aube (10).

3. Aube (10) de soufflante selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que lesdits orifices d'entrée (20) sont répartis entre les 40% et 20% de la surface de ladite aube les plus proches dudit bord de fuite (16) de l'aube.

4. Aube (10) de soufflante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que lesdits orifices d'entrée (20) sont répartis dans les 40% de la surface de ladite aube les plus proches dudit pied (12) de l'aube.

5. Aube (10) de soufflante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que lesdits orifices d'entrée (20) sont répartis en plusieurs colonnes (C) orientées selon la direction dudit pied (12) vers ladite tête (14) de l'aube, et en ce que lesdits orifices d'entrée (20) sont disposés en quinconce entre deux colonnes adjacentes.

6. Aube (10) de soufflante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que lesdits orifices de sortie (40)sont répartis le long de ladite tête (14) de l'aube entre 5% et 95% de la longueur de ladite tête (14) depuis ledit bord d'attaque (15) de l'aube.

7. Aube (10) de soufflante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée en ce qu'une première cheminée (31) relie au moins une partie desdits orifices d'entrée (20) à un premier groupe (41) d'orifices de sortie (40), et en ce qu'une deuxième cheminée (32) relie au moins une partie des orifices d'entrée à un deuxième groupe (42) d'orifices de sortie qui sont situés en aval dudit premier groupe (41).

8. Aube (10) de soufflante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que la somme des surfaces des sections desdits orifices d'entrée (20) est inférieure à la surface de la section de ladite au moins une cheminée.

9. Turbomachine dont la soufflante comporte une aube (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes.15