FR3049013B1 - Aube de redresseur - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une aube (30) de redresseur (3) d'une turbomachine (1) s'étendant entre une plateforme interne (2a) et une plateforme externe (2b), présentant un bord d'attaque (BA) et un bord de fuite (BF), caractérisée en ce que, pour au moins une coupe de l'aube (30) au voisinage de la plateforme interne (2a), un taux de déviation d'un angle squelette de la coupe exprimé en fonction d'une position le long d'une corde de la coupe s'étendant du bord d'attaque (BA) au bord de fuite (BF) est tel que, pour une partie centrale de la coupe entre une première position extrémale (P1) correspondant à une longueur relative de corde de 5% et une deuxième position extrémale (P2) correspondant à une longueur relative de corde de 80%, au moins 60% de la déviation cumulée de l'angle squelette réalisée sur ladite partie centrale l'est entre la première position extrémale (P1) et une position intermédiaire (Pi) au milieu de la partie centrale.
Description
AUBE DE REDRESSEUR
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention concerne une aube de redresseur de flux secondaire.
ETAT DE L’ART
Une turbomachine à double flux du type de la figure 1 présente une soufflante (ou « fan ») en rotation autour d’un axe longitudinal de la turbomachine, comprimant une grande masse d’air froid, dont une part est injectée dans le compresseur et chauffée (flux primaire), le reste formant un écoulement cylindrique (flux secondaire) enveloppant le moteur, tourbillonnant en sortie du fan mais redressé par une grille d’OGV (« Outlet Guide Vane », redresseur de flux secondaire, voir la figure 2) et dirigé vers l'arrière pour créer de la poussée.
Pour une meilleure efficacité du redresseur, ses aubes doivent avoir de bonnes performances aérodynamiques et limiter les pertes de charge. Par ailleurs, sous l'effet du flux d'air, les aubes du redresseur subissent de fortes contraintes qui provoquent notamment des phénomènes de torsion (i.e. la déformation de l’aube sur elle-même, autour d’un axe radial correspondant à la direction dans laquelle l’aube s’étend) et de flexion (i.e. la déformation autour d’un axe parallèle à l’axe longitudinal de rotation de la soufflante).
De façon imagée, la torsion entraîne des déplacements contraires d’un bord d’attaque BA et d’un bord de fuite BF de l’aube, alors que la flexion entraîne des déplacements similaires de ces bords d’attaque BA et de fuite BF de l’aube.
Ces phénomènes de déformation sont, de façon classique, appréciés via un paramètre de couplage entre torsion et flexion appelé TBC (pour « Twist Bend Coupling »). Le TBC en un point d'une aube est le rapport entre l'amplitude de la torsion et l'amplitude de la flexion en ce point. Le TBC a pour but de vérifier que les premiers modes de flexion (dit 1F) et de torsion (dit 1T) ont des déformées nettement différentes qui ne se coupleront pas en fonctionnement. Le TBC d’aubes de redresseur est ainsi révélateur de leur tendance au flottement en fonctionnement.
Il a été constaté que le TBC est le critère mécanique le plus difficile à contrôler. Pour obtenir de bonnes performances aérodynamiques, il est connu de prévoir des aubes avec un bord d’attaque BA de longueur supérieure au bord de fuite BF. Le BA a ainsi plus tendance à se déformer que le BF.
La difficulté est alors de trouver un empilage permettant d’assurer des déplacements BA et BF équivalents (sur le mode 1 F) pour respecter le critère TBC sans dégrader les performances aérodynamiques.
A ce titre, il a par exemple été proposé dans la demande FR 3009589 une géométrie d’aube OGV visant à permettre à la fois de favoriser une bonne répartition du flux d'air sur la hauteur des aubes avec une performance aérodynamique accrue, et d'éviter une dégradation de leur comportement en termes de torsion et de flexion, par rapport à des aubes classiques. Cet effet est obtenu par une « mise en avant » d’une partie inférieure tout en reculant un point d’épaisseur maximale vers le bord de fuite BF.
Cela a pour effet de favoriser le comportement de l’aube à la flexion et la torsion. On constate cependant que le déplacement du BA reste nettement supérieur au déplacement du BF ou alors que les modifications testées impactaient trop les performances aérodynamiques de l’aube.
Il serait donc souhaitable de disposer d’une nouvelle géométrie d’aube de redresseur du flux secondaire qui apporte un levier supplémentaire pour régler le TBC tout en conservant les performances aérodynamiques.
PRESENTATION DE L’INVENTION
La présente invention propose ainsi une aube de redresseur d’une turbomachine s’étendant entre une plateforme interne et une plateforme externe, présentant un bord d’attaque et un bord de fuite, caractérisée en ce que, pour au moins une coupe de l’aube au voisinage de la plateforme interne, un taux de déviation d’un angle squelette de la coupe exprimé en fonction d’une position le long d’une corde de la coupe s’étendant du bord d’attaque au bord de fuite est tel que, pour une partie centrale de la coupe entre une première position extrémale correspondant à une longueur relative de corde de 5% et une deuxième position extrémale correspondant à une longueur relative de corde de 80%, au moins 60% de la déviation réalisée sur ladite partie centrale l’est entre la première position extrémale et une position intermédiaire au milieu de la partie centrale.
Cette géométrie particulière de l’aube permet d’augmenter la cambrure du profil et ainsi de limiter le TBC sans détériorer les performances aérodynamiques.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives :
• ledit taux de déviation de l’angle squelette de la coupe est strictement croissant sur ladite partie centrale de la coupe ;
• une dérivée dudit taux de déviation de l’angle squelette de la coupe est strictement décroissante sur ladite partie centrale du profil ;
• une valeur moyenne entre la première position extrémale et la position intermédiaire de la dérivée dudit taux de déviation de l’angle squelette de la coupe est au moins 10% supérieure à une valeur moyenne sur la partie centrale de la dérivée du taux de déviation de l’angle squelette de la coupe, elle-même au moins 10% supérieure à une valeur moyenne entre la position intermédiaire et la deuxième position extrémale de la dérivée du taux de déviation de l’angle squelette de la coupe.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un redresseur pour une turbomachine à double flux comprenant au moins une aube selon le premier aspect de l’invention.
Selon un troisième aspect, l’invention concerne une turbomachine comprenant le redresseur selon le deuxième aspect de l’invention.
PRESENTATION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d’un mode de réalisation préférentiel. Cette description sera donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 précédemment décrite représente un exemple de turbomachine ;
- la figure 2 précédemment décrite illustre un redresseur ;
- la figure 3 compare une aube de redresseur connue et une aube selon l’invention ;
- la figure 4 représente un taux de déviation de l’angle squelette d’une coupe d’une aube connue et une coupe d’une aube selon l’invention.
- les figures 5a et 5b comparent respectivement le TBC et l’impact aérodynamique d’une aube de redresseur connue et d’une aube selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
En référence à la figure 2 précédemment décrite, la présente aube 30 est une aube de redresseur 3 de turbomachine 1, en particulier de turbomachine à double flux.
De façon préférée, il s’agit d’une aube de redresseur du flux secondaire, disposée en aval de la soufflante 2 (voir figure 1).
L’aube 30 est ainsi fixe, et s’étend entre deux plateformes 2a et 2b qui la maintiennent. Aucune de ses extrémités distale et proximale n’est libre.
Une plateforme 2a est une plateforme interne (au niveau de l’extrémité proximale de l’aube 30, formant carter central) et l’autre plateforme 2b est une plateforme externe (au niveau de l’extrémité proximale de l’aube 30, formant carter extérieur). Le terme plateforme est ici interprété au sens large et désigne de façon générale tout élément à partir duquel les aubes s’étendent radialement et présentant une paroi contre laquelle l’air circule. On connaît aujourd’hui des géométries performantes de plateforme qui sont non-axisymétriques
Une pluralité d’aubes 30 est avantageusement disposée régulièrement sur la circonférence de la plateforme interne 2a de sorte que le redresseur 3 définit une veine annulaire autour de la plateforme interne 2a.
Le présent redresseur 3 est ainsi un ensemble de pièces comprenant les plateformes 2a, 2b entre lesquelles s’étendent les aubes 30 (ces plateformes 2a, 2b peuvent soit faire partie des aubes, sous la forme de demi-plateformes « intégrées », soit être des pièces distinctes dans lequel les aubes s’insèrent, et dans ce cas elles sont « rapportées »).
Pied d’aube
La partie 31 de l’aube 30 au voisinage de la plateforme interne 2a est appelée pied d’aube. L’aube 30 présente au niveau de ce pied 31 une géométrie particulière.
Le pied est une des parties de l’aube qui permet d’avoir le plus de degrés de liberté afin de modifier les propriétés mécaniques sans pourtant affecter l’aérodynamique de la pièce. En effet, cette section a peu d’impact sur les performances aérodynamiques (zone où le flux d’air est décollé de la plateforme 2a) mais permet d’équilibrer les déplacements BA/BF du mode 1F.
En référence à la figure 3, qui compare une géométrie connue (en pointillés) avec une géométrie selon l’invention (trait plein), la coupe de pied d’aube 31 a été modifiée pour accentuer la forme en « C ». Plus précisément, cette modification est pour au moins une coupe de l’aube 30 au voisinage de la plateforme interne 2a, avantageusement sur l’ensemble des coupes sur une hauteur d’au moins 2%, et avantageusement environ 5% de la hauteur totale (entre les plateformes 2a et 2b).
Par coupe (ou profil), on entend une section sensiblement transversale de l’aube 30 à une hauteur donnée, en particulier suivant une ligne de courant (on remarque le profil concave-convexe) qui s’étend depuis un bord d’attaque BA vers un bord de fuite BF.
En référence à la figure 4, la forme plus « en C » se traduit par une évolution plus rapide de l’angle squelette. Par angle squelette, on entend l’angle de la tangente en un point du squelette par rapport à l’axe longitudinal de la turbomachine 1.
Le « squelette » est une ligne médiane d’une coupe de l’aube 30 reliant le bord d’attaque BA au bord de fuite BF qui se situe à égale distance entre l’intrados et l’extrados. Il s’oppose à la « corde » c’est-à-dire la ligne droite qui relie ces points extrémaux (BA et BF) de la coupe. Orthogonalement à une coupe, on trouve la « hauteur » de l’aube 30 susmentionnée.
La position d’un point de la coupe est exprimée en fonction de la longueur de corde (en abscisse), et plus précisément la longueur de corde « normalisée », c’est-à-dire exprimée entre 0 et 1 lorsque l’on traverse l’aube 30, à parcourir pour atteindre la projection (orthogonale) de ce point sur la corde. Cela correspond en d’autres termes à la coordonnée x qu’aurait un point de la coupe dans un repère orthonormé dans lequel le point BA aurait (0,0) comme coordonnées, et le point BF (0,1). Par exemple, un point de la coupe associé à une longueur de corde normalisée de « 0,5 » est sur la médiatrice de la corde.
Plus précisément, la figure 4 représente pour une coupe d’une géométrie connue (en pointillés) et d’une géométrie selon l’invention (trait plein) le taux de déviation de l’angle squelette de la coupe en fonction de la longueur normalisée de corde.
Le taux de déviation à une position donnée correspond au ratio déviation d’angle squelette (i.e. variation) réalisée jusqu’à cette position / déviation d’angle squelette (i.e. variation) totale. Par définition une telle courbe est globalement croissante entre 0 et 1, et avantageusement croissante voire strictement croissante sur tout le domaine. En effet, on comprend aisément qu’au niveau du bord d’attaque BA (0% de longueur de corde), la déviation de l’angle squelette n’a pas commencé et le taux de déviation vaut 0, alors qu’au niveau du bord de fuite BF (100% de longueur de corde) toute la déviation de l’angle squelette a été réalisée, et le taux de déviation vaut 1. Une telle courbe permet de repérer les intervalles dans lesquels la déviation est plus ou moins rapide.
On note que le fait de prendre le taux de déviation plutôt que l’angle squelette lui-même permet de considérer aussi bien des aubes de redresseur déviant le flux « vers la gauche » comme l’on voit sur les figures, que des aubes de redresseur déviant le flux « vers la droite ». Par exemple, la flèche épaisse sur la figure 3 représente la direction d’incidence du flux d’air. On voit qu’une telle aube dévie le flux vers la gauche et a un angle squelette croissant en allant de l’amont vers l’aval. Une aube déviant le flux vers la droite aurait un angle squelette décroissant en allant de l’amont vers l’aval mais son taux de déviation de l’angle squelette en fonction de la longueur de corde resterait croissant (puisque la déviation, d’une côté ou de l’autre, ne fait qu’augmenter).
On remarque que dans les géométries connues, l’angle squelette présente au niveau d’une partie centrale de la coupe une évolution linéaire, i.e. la dérivée du taux de déviation est sensiblement constante (et donc une dérivée seconde sensiblement nulle) sur l’intervalle de longueur de corde correspondant à cette partie centrale.
Cette évolution linéaire donne son aspect « plat » à la courbe du taux de déviation. C’est pour cela qu’on parle de « profil circulaire » pour les géométries connues. La présente géométrie de coupe d’aube 30 propose au contraire des pentes bien plus fortes en début de la partie centrale, et bien plus faibles en fin de la partie centrale, en d’autres termes une déviation supérieure à la déviation linéaire (i.e. la déviation moyenne) en début de partie centrale, et une déviation inférieure à la déviation linéaire en fin de partie centrale.
En définissant arbitrairement ladite partie centrale sur l’intervalle 5%-80% de longueur relative de corde (i.e. la partie centrale s’étend sur 75% de la longueur de corde totale entre une première position extrémale P1 correspondant à 5% de longueur de corde et une deuxième position extrémale correspondant à 80% de longueur de corde), la géométrie d’une coupe de la présente aube 3 voit au moins 60% (préférentiellement au moins 60%, et avantageusement moins de 70%) de la déviation cumulée réalisée sur la totalité de la partie centrale l’être sur une première moitié.
En d’autres termes, en définissant une position intermédiaire Pi au milieu des première et deuxième positions extrémales P1, P2 (i.e. la position intermédiaire correspond à une longueur relative de corde de 42.5%), au moins 55% (de la déviation réalisée sur l’ensemble de la partie centrale est réalisée entre P1 et Pi (c’est-à-dire sur la première moitié), et moins de 45% de la déviation réalisée sur l’ensemble de la partie centrale est réalisée entre Pi et P2 (c’est-à-dire sur la deuxième moitié).
Mathématiquement, déviation(Pi)>0.55*(déviation(P2)-déviation(P1)).
Plus en détail, cela se traduit par une dérivée positive et décroissante (la déviation augmente initialement beaucoup, puis de moins en moins), et plus particulièrement une dérivée seconde inférieure bornée sur toute la partie centrale. En pratique, la dérivée seconde est avantageusement quasiment constante sur la partie centrale, ce qui correspond à une équation sensiblement polynomiale donnant une forme parabolique pour la courbe sur l’intervalle [P1,P2], d’où l’aspect incurvé.
Ainsi, une valeur moyenne entre la première position extrémale P1 et la position intermédiaire Pi de la dérivée dudit taux de déviation de l’angle squelette de la coupe est au moins 10% supérieure à une valeur moyenne sur la partie centrale de la dérivée du taux de déviation de l’angle squelette de la coupe, ellemême au moins 10% supérieure à une valeur moyenne entre la position intermédiaire Pi et la deuxième position extrémale P2 de la dérivée du taux de déviation de l’angle squelette de la coupe.
De façon préférée, la valeur de la dérivée en la position intermédiaire est quasiment égale à la valeur moyenne de la dérivée sur la partie centrale, ce qui se traduit par une courbe « plus pentue » que la courbe linéaire (i.e. dérivée en tout point supérieure à la valeur moyenne sur l’ensemble de la partie centrale) sur la première moitié de la partie centrale et une courbe « moins pentue » (i.e. dérivée en tout point inférieure à la valeur moyenne).
On note qu’avant la première position P1 et après la deuxième position P2, on trouve des variations très brutales correspondant aux fermetures de profil au niveau des bords d’attaque et de fuite, qui ne sont ici pas considérées.
A titre d’exemple, sur la figure 4 le taux de déviation est de 29% en P1, de 92% en P2, et de 67% en Pi, alors qu’il aurait été de 60.5% selon un modèle linéaire, c’est-à-dire que la déviation réalisée entre la première position P1 et la position intermédiaire Pi est 60.4% de la déviation réalisée sur la partie centrale.
La valeur moyenne de la dérivée sur la partie centrale est 0.84 par unité de longueur corde, pour une valeur moyenne de 1.01 entre P1 et Pi, et une valeur moyenne de 0.66 entre Pi et P2.
La dérivée seconde est sensiblement constate sur la partie centrale et égale à environ -0.92 par unité de longueur de corde
C’est vraiment cette partie centrale du pied 31 qui permet de répondre à la problématique. En effet, le déplacement du BF sur le mode 1F est alors nettement augmenté, ce qui permet d’initier une déformation bien plus importante au BF, ce qui a pour conséquence d’équilibrer les déplacements BA / BF et d’améliorer nettement le TBC.
En référence à la figure 5a, on voit que le TBC est réduit de moitié sur presque toute la hauteur de l’aube 30. Et cela ne nuit pas aux performances aérodynamiques, puisque comme on le voit sur la figure 5b, l’impact aérodynamique est négligeable. La forme plus rectiligne du BF permet de plus de ne pas perturber l’angle de sortie du flux d’air et donc respecter les critères aérodynamiques.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un redresseur 3 et une ou plusieurs aubes 30 (avantageusement disposées régulièrement) sur la circonférence d’une plateforme interne 2a du redresseur.
Est également proposé une turbomachine 1 à double flux équipé d’une telle soufflante 2.
Claims (4)
- REVENDICATIONS1. Aube (30) de redresseur (3) d’une turbomachine (1) s’étendant entre une plateforme interne (2a) et une plateforme externe (2b), présentant un bord d’attaque (BA) et un bord de fuite (BF), caractérisée en ce que, pour au moins une coupe de l’aube (30) au voisinage de la plateforme interne (2a), un taux de déviation d’un angle squelette de la coupe exprimé en fonction d’une position le long d’une corde de la coupe s’étendant du bord d’attaque (BA) au bord de fuite (BF) est tel que, pour une partie centrale de la coupe entre une première position extrémale (P1) correspondant à une longueur relative de corde de 5% et une deuxième position extrémale (P2) correspondant à une longueur relative de corde de 80%, au moins 60% de la déviation cumulée de l’angle squelette réalisée sur ladite partie centrale l’est entre la première position extrémale (P1) et une position intermédiaire (Pi) au milieu de la partie centrale, ledit taux de déviation de l’angle squelette de la coupe étant strictement croissant sur ladite partie centrale de la coupe, et une dérivée dudit taux de déviation de l’angle squelette de la coupe étant strictement décroissante sur ladite partie centrale de la coupe.
- 2. Aube selon la revendication 1, dans laquelle une valeur moyenne entre la première position extrémale (P1) et la position intermédiaire (Pi) de la dérivée dudit taux de déviation de l’angle squelette de la coupe est au moins 10% supérieure à une valeur moyenne sur la partie centrale de la dérivée du taux de déviation de l’angle squelette de la coupe, elle-même au moins 10% supérieure à une valeur moyenne entre la position intermédiaire (Pi) et la deuxième position extrémale (P2) de la dérivée du taux de déviation de l’angle squelette de la coupe.
- 3. Redresseur (3) pour une turbomachine (1) à double flux comprenant au moins une aube (30) selon l’une des revendications 1 et 2.
- 4. Turbomachine (1) à double flux comprenant un redresseur (3) selon la revendication 3.
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Owner name: SAFRAN AIRCRAFT ENGINES, FR Effective date: 20200304 |
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