FR2970508A1

FR2970508A1 - Assemblage de compression et turbomoteur equipe d'un tel assemblage

Info

Publication number: FR2970508A1
Application number: FR1150267A
Authority: FR
Inventors: Pierre Biscay; Fabien Artus; Patrick Marconi; Eric Mignard
Original assignee: Turbomeca SA
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-07-20
Anticipated expiration: 2031-01-13
Also published as: FR2970508B1

Abstract

L'invention vise à se libérer des solutions de type vanne de décharge et désadaptation du premier compresseur, au moins dans une large gamme de taux de compression, pouvant aller par exemple jusqu'à un taux de 25, avec des performances élevées en termes de rendement tout en autorisant une marge au pompage suffisante et en minimisant la masse et l'inertie des roues mobiles de compression. Un assemblage de compression (1) pour turbomoteur (2) comporte notamment un canal d'entrée d'air (3, 4) couplé à au moins deux étages de compression d'air (13, 15) via des veines de diffuseurs (5, 6). Cet assemblage comporte également conformément à l'invention une grille de pré-rotation (12) positionnée dans le canal d'entrée d'air (4r, 4c, 4a), couplée à un premier étage de compression (13) constitué d'un compresseur mixte à rouet incliné (31) en rotation dans un diffuseur mixte (5) couplé au deuxième étage de compression à compresseur centrifuge (15) via un canal de retour d'air (14) incliné vers l'amont (A).

Description

ASSEMBLAGE DE COMPRESSION ET TURBOMOTEUR EQUIPE D'UN TEL ASSEMBLAGE DOMAINE DE L'INVENTION [0001] L'invention concerne un assemblage de compression destiné, notamment, à maximiser la marge au pompage d'un turbomoteur d'hélicoptère, ainsi qu'un turbomoteur équipé d'un tel assemblage. [0002] Sur les turbomoteurs d'hélicoptères, les compresseurs bi-centrifuges sont limités en taux de pressions d'entrée/sortie du fait d'une marge au pompage insuffisante sur la ligne de fonctionnement aux régimes intermédiaires de vol. En effet, la ligne de fonctionnement étant trop proche de la ligne de pompage dans ces régimes d'accélération, le taux de compression ne doit pas dépasser un plafond afin de ne pas provoquer un risque de pompage. ÉTAT DE LA TECHNIQUE [0003] Deux solutions sont connues pour garantir une marge au pompage suffisante : - abaisser la ligne de fonctionnement en désadaptant le premier compresseur ; - introduire une vanne de décharge entre les deux compresseurs. [0004] La première solution présente l'inconvénient de faire fonctionner le deuxième compresseur avec un rendement diminué, en particulier à haut régime. Il en résulte un abaissement du taux de cycle moteur et une dégradation du rendement global. En variante, il a été proposé une désadaptation partielle, en répartissant les taux de compression entre les deux étages de compression de façon à redresser la ligne de fonctionnement pour la positionner le plus parallèlement possible à la ligne de pompage. Cette variante ne résout que très partiellement le problème évoqué. [0005] Si l'on veut s'affranchir de la présence d'une vanne de décharge (deuxième solution), la limite du taux global de pression est typiquement de l'ordre de 15. La répartition des taux est de 5 à 6 pour le premier compresseur et de 2,5 à 3 pour le deuxième. Une désadaptation du premier compresseur est alors nécessaire lorsque le taux global de pression dépasse environ 8. Cette solution est pénalisante en termes de masse par l'encombrement axial et radial du premier compresseur centrifuge. Il est également pénalisant en termes de capacité d'accélération du fait de l'inertie de ce premier compresseur car le premier étage est alors conçu pour un taux plus élevé que le taux réellement utilisé. [0006] La deuxième solution dégrade, à charge partielle, le rendement du deuxième compresseur et plus particulièrement le cycle moteur complet par la perte d'une partie de l'air comprimé par le premier compresseur lorsque la vanne est ouverte.

EXPOSÉ DE L'INVENTION [0007] L'invention vise à se libérer des solutions de type à vanne de décharge ou désadaptation du premier compresseur, au moins dans une large gamme de taux de compression, pouvant aller par exemple jusqu'à un taux de 25, avec des performances élevées en termes de rendement, tout en autorisant une marge au pompage suffisante et en minimisant la masse et l'inertie des roues mobiles de compression. [0008] Pour ce faire, un premier étage de compression à composants radiaux ou inclinés dans un plan méridien par rapport à l'axe de rotation moteur, ci-après compresseur, rouet ou diffuseur mixte, est combiné à une grille de pré- rotation. [0009] Plus précisément, la présente invention a pour objet un assemblage de compression pour turbomoteur comportant notamment un canal d'entrée d'air, formé d'une entrée d'air et d'un conduit, couplé à au moins deux étages de compression d'air via des veines de diffuseurs. Dans cet assemblage, une grille de pré-rotation est positionnée dans le canal d'entrée d'air, en particulier dans une partie radiale, un coude ou une partie axiale du conduit. Cette grille est couplée à un premier étage de compression comportant un rouet mixte de compresseur mixte associé à un diffuseur mixte aubagé et un canal de retour dont la veine peut revenir vers l'amont, ce premier étage étant couplé à un deuxième étage de compression également mixte via le canal de retour. [0010] Le premier étage mixte peut alors minimiser alors l'encombrement radial global du compresseur par rallongement de la longueur de diffusion à encombrement radial constant, sans augmenter l'encombrement axial grâce à la forme particulière de son rouet et celle du diffuseur d'air qui permettent d'aménager un espace pour un canal de retour. D'autres étages de compression à compresseurs centrifuges peuvent suivre le deuxième étage. [0011] Une grille de pré-rotation comporte des pales orientables sur un disque réparties dans le canal d'écoulement du flux d'air pour réguler cet écoulement ; Une telle grille est habituellement utilisée en combinaison avec des compresseurs centrifuges subsoniques ou faiblement transsoniques, par exemple dans les générateurs de puissance auxiliaires de type APU (initiales de « Auxiliary Power Unit » en terminologie anglaise) destinés au démarrage des turbomoteurs. [0012] Ces grilles permettent en effet de répondre à des variations importantes de demandes de débit d'air. Dans le contexte de l'invention, la grille de pré-rotation est fermée à régime partiel. Cette fermeture diminue la charge aérodynamique et a pour effet d'augmenter la marge au pompage en décalant la ligne de pompage du compresseur vers les faibles débits tout en décalant la ligne de fonctionnement vers les hauts débits. Une grande capacité d'accélération est ainsi offerte. [0013] Cette grille supprime le besoin de désadaptation du premier étage de compression : elle permet donc un passage de la ligne de fonctionnement au plus près de la ligne des maximas de rendement. Les pics de rendement à charge partielle sont également augmentés. De plus, la vitesse de ralenti est augmentée : la consommation de marge au pompage est limitée lors des accélérations. [0014] Par ailleurs, la marge au pompage - garantie par la présence de la grille de pré-rotation - permet de choisir une répartition de taux de pression d'entrée/sortie des étages de compression dans des plages de valeurs inhabituelles, par exemple de 2,5 à 3,5 pour le premier étage et de 4 à 5,5 pour le deuxième étage, pour minimiser l'inertie du premier étage de compression tout en offrant des performances élevées. La vitesse spécifique du premier étage pouvant alors atteindre des gammes de valeurs élevées, l'utilisation de la technologie mixte permet d'offrir un rendement élevé à ce premier étage. De plus, l'abaissement du taux du premier étage augmente le débit corrigé en entrée du deuxième étage, ce qui permet d'améliorer le rendement de ce deuxième étage. [0015] Selon des formes de réalisation préférées : - le rouet mixte présente un rayon en bord de fuite sensiblement supérieur au rayon en bord d'attaque et, en sortie du diffuseur mixte, la veine retour est inclinée vers l'amont jusqu'à sensiblement 60° par rapport à l'axe de rotation ; - le compresseur mixte est un compresseur centrifuge ; - le compresseur mixte présente un rouet avec une veine de sortie inclinée entre 10° et 60° par rapport à l'axe de rotation ; - le compresseur mixte présente un ensemble de diffusion qui comporte un diffuseur mixte avec une veine de diffusion mixte inclinée, par rapport à l'axe centrale de rotation, à 0° lorsque le compresseur mixte est un compresseur centrifuge et entre 20° et 60° dans les autres cas ; - dans le cas d'un taux de compression suffisamment faible, typiquement inférieur à 3, un ensemble de diffusion est constitué avantageusement d'un coude de sortie de rouet et d' un redresseur bigrille intégré dans un col de cygne, la première grille étant apte à ralentir l'écoulement d'air et la deuxième grille à dévier cet écoulement ; - l'assemblage de compression comporte des moyens de commande de la grille de pré-rotation apte à actionner les pales de la grille selon une loi de calage d'ouverture/fermeture des pales qui dépend du régime de rotation du turbomoteur ; - la loi peut présenter une à plusieurs pentes entre le régime ralenti et le régime nominal de croisière ; - les taux de pressions entrée/sortie sont compris entre 2,5 et 8 pour le premier étage de compression et entre 2,5 et 5,5 pour le deuxième étage, avec un taux global compris entre 8 et 25 ; - les vitesses spécifiques du premier étage de compression se situent, avec un assemblage de compression fonctionnant typiquement de 700/0 à 1100/0 de la vitesse nominale, dans une plage allant de 5 à 15, avec des nombres de Mach relatifs en tête de rouet allant de 0,7 à 1,5 ; l'unité des vitesses spécifiques résulte des unités du système SI (et de la formule de la vitesse spécifique de la forme : Ns = Ne/DII"4, N étant la vitesse de rotation, Q le débit et AH le travail) ; - le rouet du premier étage de compression mixte comporte plusieurs rangées de pales intercalaires, avec avantageusement des angles en sortie se situant entre 20° et 60° par rapport à une direction radiale du turbomoteur, pour optimiser le rendement du premier étage et pour diminuer le diamètre de sortie du rouet mixte : les encombrements radiaux et axiaux sont donc limités ; - la plage de vitesses dans laquelle fonctionne l'assemblage de compression se situe entre 0 et 1300/0 de la vitesse de croisière nominale. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES [0016] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention pourront apparaître lors de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - la figure 1, une vue en coupe d'un assemblage de compresseur mixte et d'un compresseur centrifuge selon l'invention ; - la figure 2, le diagramme d'un exemple de loi de calage d'une grille de pré-rotation dans un assemblage de compression selon l'invention ; - la figure 3, des diagrammes de marge au pompage d'un assemblage de compression selon l'invention et d'un assemblage de compression bi-centrifuge sans grille de pré-rotation ; et - la figure 4, des diagrammes de rendement compresseur sur la ligne de fonctionnement pour un assemblage de compression selon l'invention et pour un assemblage bi-centrifuge sans grille de pré-rotation. DESCRIPTION DETAILLÉE [0017] Les termes de type « amont » et « aval » désignent des éléments localisés par rapport au sens de l'axe centrale X'X de rotation des pièces du turbomoteur, en particulier des rotors de compression et des turbines. [0018] En référence à la vue de la figure 1, un exemple d'assemblage de compression 1 selon l'invention est illustré dans son intégration à un turbomoteur d'hélicoptère 2. Dans un tel turbomoteur, de l'air (flèche F1) est introduit dans une entrée d'air 3, entraîné dans un conduit 4 qui forme un canal débouchant par l'entrée d'air 3, comprimé dans l'assemblage de compression 1 et débouchant de l'assemblage de compression par un diffuseur radial 6. [0019] L'air ainsi comprimé est ensuite injecté dans une chambre de combustion 7 pour y être mélangé au carburant et fournir, après explosion, l'énergie cinétique d'entraînement en rotation des turbines 8 et 9. Une turbine 8 entraîne à son tour les compresseurs via un arbre haute pression 10, et l'autre turbine 9 transmet de la puissance aux équipements (pompes, alternateurs, compresseurs de charge) et au rotor de l'hélice de l'hélicoptère, via un arbre traversant 11 des réducteurs de vitesse 11 r. [0020] L'assemblage de compression 1 conforme à l'invention comporte plus précisément une grille de pré-rotation 12 munie de pales 12p à calage variable selon une loi d'orientation mise en oeuvre par des moyens de commande 12c, la grille étant disposée au choix, en fonction des dimensions acceptables, dans la partie radiale 4r, dans le coude 4c ou dans la partie axiale 4a selon l'axe X'X (comme représenté) du conduit d'entrée d'air 4. [0021] Un compresseur mixte incliné 13 est constitué d'un rouet 32 comportant des ailettes 30 principales et avantageusement des ailettes intercalaires 30i, avec un angle de sortie de 45° par rapport à l'axe X'X. Les ailettes intercalaires s'étendent sur une longueur plus courte - par exemple de longueur moitié - sur un disque 31 présentant un profil incliné à double courbure. Le rouet 32 est en rotation à l'intérieur d'un carter 33. Il est incliné en sortie de 60° sur l'axe X'X dans cet exemple et le rouet 32 présente un rayon RBF en bord de fuite sensiblement supérieur au rayon en bord d'attaque RBA (typiquement le rapport RBF/RBA est compris entre 1, 05 et 1, 50). Le compresseur mixte comporte un diffuseur mixte aubagé 5 incliné dans le prolongement du rouet 32. [0022] Un canal de retour d'air 14 incliné vers l'amont (flèche A), est couplé au diffuseur 5 et incliné selon un angle proche de l'angle d'inclinaison du diffuseur mixte. Ce canal de retour 14 est lui-même couplé à un étage centrifuge 15 constitué d'un rouet centrifuge 51, comportant des ailettes 50 et des ailettes intercalaires 50i portées par un disque 52, et d'un ensemble de diffusion 6. [0023] Les moyens de commande 12c de la grille de pré-rotation actionnent les pales 12p de la grille 12 selon une loi de calage d'ouverture/fermeture des pales qui dépend du régime de rotation du turbomoteur. Une telle loi de calage, telle qu'illustrée par le diagramme de la figure 2, est réglée pour garantir une marge au pompage minimale entre la ligne de fonctionnement et la ligne de pompage. [0024] Sur le diagramme de la figure 2, la loi de calage C(N) en fonction de la vitesse N exprimée en pourcentage de la vitesse nominale NN. Un calage positif indique que la grille de pré rotation est fermée. Un calage négatif indique que la grille est ouverte. Le calage nul est dit nominal. La loi de calage présente : - une phase de calage constant en-dessous de la vitesse de ralenti N R, - une variation rectiligne - correspondant au segment de droite Dc - entre le régime de ralenti et la vitesse nominale NN ; - une phase de calage constant au-delà de la vitesse nominale NN. [0025]Ainsi, l'exemple de loi illustré commande une variation linéaire du calage des pales entre 40° et 0° lorsque la vitesse de l'hélicoptère passe de 800/0 à 1000/0 de la vitesse NN. Au-delà et en-deçà de ces vitesses, le calage reste constant, respectivement à 0° et à 40°. Dans des variantes, la loi de calage peut présenter, dans la plage de vitesses intermédiaires (entre 800/0 et 1000/0 de la NN) plusieurs segments de droites de pentes adaptées. La loi de calage peut également être ouverte au-delà de la vitesse nominale NN. [0026] Un assemblage selon l'invention à grille de pré-rotation augmente, à régime partiel, la marge au pompage. Comme illustré par le diagramme de la figure 3, la variation de la marge au pompage MP est définie à régime partiel - pour des vitesses N% entre 75 et 90 de la vitesse nominale NN. La variation de MP est représentée par les courbes MP1 et MP2 pour, respectivement, un assemblage selon l'invention à grille de pré-rotation et un assemblage sans grille. Par comparaison entre les courbes MP1 et MP2, il apparaît que la marge au pompage est sensiblement supérieure pour l'assemblage selon l'invention dans la gamme de vitesses intermédiaire. [0027] En référence à la figure 4, les diagrammes de rendement compresseur Rc peuvent être exprimés en pourcentages de la vitesse nominale N% ou du taux global de pressions P3/P2 réalisé par les deux étages de compression. La variation du rendement compresseur R1 d'un assemblage de compression selon l'invention est sensiblement supérieure à celle du rendement compresseur R2 d'un assemblage bi-centrifuge sans grille de pré-rotation, dans une large gamme de vitesses intermédiaires - entre 750/0 et 100/0 de la vitesse nominale - ou dans un large intervalle de taux global de pressions - entre 7 et 18 - dans le diagramme illustré. Les rendements et donc les performances du turbomoteur sont ainsi sensiblement améliorés. [0028] L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté. Il est par exemple possible de réaliser des assemblages de compression avec une grille de pré-rotation combinée à un compresseur mixte en plus d'un compresseur centrifuge ou axial. [0029] Dans le cas d'un assemblage de compression avec une grille de pré-rotation combinée à un compresseur mixte lui-même associé à un étage centrifuge, il est également possible, lorsque le taux de l'étage mixte est suffisamment faible, de prévoir un redresseur bigrille pour ralentir et redresser l'écoulement avant l'entrée de l'étage 2. Ceci permet de minimiser l'extension radiale et donc la masse de l'étage mixte. -

Claims

REVENDICATIONS1. Assemblage de compression (1) pour turbomoteur (2) comportant notamment un canal d'entrée d'air (3, 4) couplé à au moins deux étages de compression d'air (13, 15) via des veines de diffuseurs (5, 6), caractérisé en ce qu'il comporte également une grille de pré-rotation (12) positionnée dans le canal d'entrée d'air (4r, 4d; 4a), couplée à un premier étage de compression (13) comportant un rouet mixte de compresseur mixte (31) associé à un diffuseur mixte' aubagé (5) et un canal de retour (14), le premier étage couplé à un deuxième étage de compression à compresseur également mixte (15) via le canal de retour (14).
2. Assemblage de compression (1) selon la revendication 1, dans lequel le compresseur mixte (13) présente un rayon en bord de fuite (RBE) sensiblement supérieur au rayon en bord d'attaque (RBA) et, en sortie du. diffuseur mixte, la veine retour (14) est inclinée vers l'amont (A) jusqu'à sensiblement 60° par rapport à l'axe de rotation (X'X).
3. Assemblage de compression (1') selon la revendication précédente, dans lequel le compresseur mixte est un compresseur centrifuge.
4. Assemblage de compression (1) selon la revendication 2, dans lequel le compresseur mixte présente un rouet avec une veine de sortie inclinée entre 10 et 60° par rapport à l'axe de rotation (X'X).
5. Assemblage de compression (1) selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel' le compresseur mixte (13) présente un ensemble de diffusion qui comporte un diffuseur mixte (5) avec une veine de diffusion mixte inclinée, par rapport à l'axe de rotation (X'X), à -'0° lorsque le compresseur mixte est un compresseur centrifuge et entre 20° et 60° dans les autres cas.
6. Assemblage de compression (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le compresseur mixte (13) présente unensemble de diffusion comportant un redresseur bigrille intégré dans un col de cygne, la première grille étant apte à ralentir l'écoulement d'air et la deuxième grille à dévier cet écoulement.
7. Assemblage de compression (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande (12c) de la grille de pré-rotation (12) apte à actionner les pales (12p) de la grille selon une loi (C(N)) de calage d'ouverture/fermeture des pales (12p) qui dépend du régime de rotation du turbomoteur (2).
8. Assemblage de compression (1) selon la revendication précédente, dans lequel la loi peut présenter une à plusieurs pentes (Dc) entre le régime ralenti et le régime nominal de croisière.
9. Assemblage de compression (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les taux de pressions entrée/sortie (P3/P2) sont compris entre 2,5 et 8 pour le premier étage de compression (13) et entre 2,5 et 5,5 pour le deuxième étage (15) avec un taux global compris entre 8 et 25.
10. Assemblage de compression (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les vitesses spécifiques du premier étage de compression (13) se situent, avec un assemblage de compression fonctionnant de 700/0 à 1100/0 de la vitesse nominale, dans une plage allant de 5 à 15, avec des nombres de Mach relatifs en tête de rouet (31) allant de 0,7 à 1,5.
11. Assemblage de compression (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rouet (31) du premier étage de compression mixte (13) comporte plusieurs rangées de pales intercalaires (30i), avec des angles en sortie se situant entre 20° et 60° par rapport à une direction radiale du turbomoteur.