DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

[0001] L'invention se rapporte à un procédé de soufflage d'air dans un diffuseur d'étage de compression d'une turbine à gaz, en particulier dans les compresseurs de type centrifuge ou mixte. Par compresseur mixte, il convient d'entendre un compresseur structuré en sortie du rouet de sorte que le flux d'air fasse un angle compris entre 0 et 90° par rapport à une direction radiale. L'invention se rapporte également à un diffuseur de compresseur apte à mettre en œuvre un tel procédé.

[0002] Le domaine de l'invention est celui du fonctionnement des compresseurs et de l'amélioration de leur performance, en particulier de la marge au pompage. La performance est en particulier sensible à l'écoulement d'air provenant du rouet du compresseur. Le diffuseur a pour fonction de redresser cet écoulement pour optimiser la transformation de la pression dynamique de l'air en pression statique.

[0003] De manière générale, un diffuseur se compose d'aubes inclinées dans un espace formé entre deux flasques. La déviation réalisée par les aubes peut provoquer des décollements d'air sur l'intrados ou l'extrados des aubes. De tels décollements peuvent conduire au décrochage des filets d'air et, si le phénomène s'amplifie, au pompage.

[0004] Il est donc nécessaire de maintenir une marge au pompage suffisante afin d'éviter les conséquences très néfastes du pompage, pouvant aller jusqu'à la destruction d'éléments du compresseur.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

[0005]Jusqu'à présent, pour tenter de stabiliser l'écoulement d'air et éviter le pompage, une partie de l'air pouvait être prélevée dans la veine en amont des aubages du diffuseur en détournant une partie de l'air en sortie du rouet et en le réinjectant au niveau des flasques du diffuseur, par exemple selon le procédé décrit dans le brevet US 6699008. Mais ce système n'est pas optimal, car si la réintroduction de l'air dans le diffuseur peut améliorer la stabilité du compresseur, détourner de l'air en sortie du rouet peut provoquer de nouveaux problèmes de stabilité. De plus, réaliser une réintroduction sans générer de pertes supplémentaires est difficile, du fait que l'air en sortie rouet est à un plus faible niveau de pression statique que celui du lieu de réinjection.

[0006] Il est également connu de réaliser des cavités dans les extrados des aubes pour l'utiliser comme fluide de refroidissement comme décrit dans le document US 6 210 104. Le document de brevet FR 2937385, au nom de la demanderesse, décrit une amélioration de cette solution par augmentation progressive de la section transversale des cavités entre l'orifice d'aspiration et l'orifice de sortie. L'aspiration du fluide est alors homogénéisée sur les aubages. Cependant, il peut s'avérer nécessaire de rejeter à l'extérieur cet air prélevé, ce qui est préjudiciable au bilan global du cycle.

[0007] D'autres solutions prévoient une recirculation d'air provenant d'orifices formés près des bords d'attaque des pales puis redirigé dans la veine en amont des bords d'attaque de manière axisymétrique. Le brevet EP 2169237 met en œuvre un tel agencement pour réduire les décollements avec une aspiration d'air sur les aubages, comme les brevets US 6 210 104 et FR 2 937 385 déjà cités. La réintroduction qui est faite en amont des aubages du diffuseur influe uniquement sur l'incidence au bord d'attaque du diffuseur. EXPOSÉ DE L'INVENTION

[0008] L'invention vise à lutter plus efficacement contre le décollement de la couche d'air limite en stabilisant activement cette couche. Pour ce faire, l'invention prévoit de ré-énergiser la couche limite avec de l'air à pression plus élevée par un couplage soufflage/aspiration.

[0009] Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de soufflage d'air dans un diffuseur d'étage de compression d'un compresseur de turbine à gaz. Un tel diffuseur comporte deux flasques enserrant une pluralité d'aubes circonférentielles. L'écoulement d'air le long des aubes s'effectue d'un bord d'attaque à un bord de fuite du diffuseur. Dans ce procédé, un couplage d'une injection d'air dans la veine d'air en amont du diffuseur est réalisé avec un prélèvement d'air provenant de la veine en aval par une prise d'air effectuée du côté des bords d'attaque, en amont par rapport aux bords de fuite situés en aval. Un soufflage de l'air injecté se produit dans la veine d'amont en aval par cette prise d'air. L'injection est orientée de sorte que l'air injecté souffle dans la veine le long des aubes et/ou des flasques. Un prélèvement de cet air est alors réalisé par aspiration dans la veine du côté des bords de fuite, de sorte que la pression de l'air prélevé est sensiblement supérieure à la pression d'air s'écoulant au niveau du prélèvement. Ainsi, la transition d'une couche limite laminaire de l'écoulement d'air vers une couche turbulente est amorcée et/ou renforcée par augmentation de son niveau d'énergie.

[0010] L'injection peut être orientée de 0° à environ ± 90° par rapport à une normale à la face d'injection. De manière avantageuse, l'air est injecté le plus tangentiellement possible à la face d'injection dans le sens de l'écoulement d'air. Ainsi, la transition d'une couche limite laminaire de l'écoulement d'air vers une couche turbulente est amorcée et/ou renforcée par augmentation de son niveau d'énergie.

[0011] Un tel soufflage permet ainsi de « stabiliser » une couche limite en la rendant turbulente lorsqu'elle est laminaire, et de retarder ainsi les décollements car une couche limite turbulente est intrinsèquement plus stable qu'une couche limite laminaire. Lorsque la couche limite est turbulente, cet apport d'énergie retarde l'apparition des décollements. De plus, même si le décollement de l'écoulement d'air est déjà amorcé, l'apport d'énergie peut également permettre le recollement de la couche limite.

[0012] Le phénomène de ré-énergisation selon l'invention peut être renforcé par l'effet « coanda » qui apparaît lorsqu'un jet d'air se trouve proche d'une paroi convexe. Cet effet se traduit par une attirance du fluide vers la paroi. Cet effet coanda peut être maximisé en fonction de la vitesse et de l'angle d'éjection de l'air au niveau du prélèvement. [0013] Selon des formes de mise en œuvre avantageuses, le procédé selon l'invention prévoit de prélever l'air soit en aval du diffuseur, dans une grille ultérieure de l'étage ou dans un étage ultérieur, soit dans le diffuseur concerné, en particulier à proximité du bord de fuite des aubes.

[0014] Dans le cas où l'air est prélevé dans le diffuseur, selon des modes plus particuliers :

- le prélèvement d'air peut être réalisé sur les intrados et/ou extrados des aubes, et le soufflage sur les aubes intrados et/ou extrados ;

- le prélèvement peut être réalisé sur les flasques de moyeu et/ou de carter du diffuseur et le soufflage sur les flasques ;

- le prélèvement peut être réalisé sur les aubes et le soufflage sur les flasques ou inversement (par un prélèvement sur les flasques et un soufflage sur les aubes) ;

- la vitesse d'éjection de l'air, lors de son injection, est choisie entre Mach 0,7 et 1 , et l'angle d'éjection est choisi entre 60° et 90° par rapport à une normale à la face d'injection des aubes et/ou des flasques d'aspiration, afin de maximiser l'effet coanda.

[0015] L'invention se rapporte également à un diffuseur apte à mettre en œuvre ce procédé. Un tel diffuseur de compresseur de type centrifuge ou mixte comporte deux flasques enserrant une pluralité d'aubes circonférentielles. Au moins un passage amont transversal est réalisé dans les intrados et/ou extrados des aubes et/ou dans un flasque en au moins un point d'injection d'air dans la veine, situé en zone de bord d'attaque du côté amont du diffuseur, selon le sens de compression de la turbine à gaz. Ce passage est apte à former un couplage injection/prélèvement dans la veine par une recirculation dans le diffuseur et/ou le long du flasque hors diffuseur. Le prélèvement d'air en au moins un point en zone de bord de fuite du côté aval du diffuseur est réalisé par une aspiration dans au moins un sillon formé le long d'un flanc des aubes et/ou en face interne du flasque.

[0016] Selon certains modes de réalisation préférés : - l'injection est réalisée par au moins un passage amont transversal, réalisé dans les intrados et/ou extrados des aubes et qui débouche dans le sillon des aubes et/ou dans la face interne du flasque ;

- les passages aval et amont transversaux sont formés par des cavités et/ou des fentes;

- les passages présentent un axe central incliné par rapport à une normale à la face sur laquelle il débouche, avec un angle sensiblement compris entre 0 et ± 90°, de préférence un angle proche de 90° pour les passages amont et proches de 0° pour les passages aval ;

- les passages peuvent être positionnés sensiblement sur toute la longueur de chaque sillon, du côté des extrados et/ou intrados, avec un passage amont et un passage aval par sillon ;

- le sillon présente une largeur constante ou évolue linéairement en fonction de l'abscisse curviligne de chaque aube ;

- le sillon est débouchant en bord de fuite et le bord de fuite présente alors des rebords courbes pour favoriser l'aspiration ;

- le sillon s'étend sensiblement entre 1 et 100% de la longueur de chaque aube ;

- les sillons sont au moins au nombre de deux, et sont disposés successivement ou parallèlement le long de chaque aube.

PRÉSENTATION DES FIGURES

[0017] D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :

- la figure 1 , une vue schématique en coupe partielle d'une turbine à gaz comportant un diffuseur d'air ;

- les figures 2a à 2c, des vues en perspective d'un diffuseur à aubes avec un et deux flasques, ainsi que celle d'une aube isolée (figure 2c) ;

- les figures 3a et 3b, des vues schématiques en coupe longitudinale et supérieure d'un premier exemple de diffuseur selon l'invention à prélèvement et soufflage d'air sur aube ; - les figures 4a et 4b, des vues schématiques en coupe longitudinale et supérieure d'un deuxième exemple de diffuseur à prélèvement et soufflage d'air sur aube selon l'invention ;

- la figure 5, des vues supérieures de variantes d'aubes des premier et deuxième exemples selon des schémas 5a à 5i, et

- les figures 6a et 6b, une vue frontale schématique et une vue de flasque agrandie d'un exemple de diffuseur à prélèvement et soufflage sur un flasque.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

[0018] Les termes « aval » et « amont » qualifient des positionnements par rapport à l'écoulement des flux d'air. Sur toutes les figures, des signes de références identiques renvoient aux passages de la description dans lesquels les éléments correspondant à ces signes de référence sont définis.

[0019] En référence à la vue schématique en coupe partielle d'une turbine à gaz 1 d'hélicoptère selon la figure 1 , un flux d'air F est d'abord aspiré dans une manche d'entrée d'air frais 2, puis comprimé entre les pales 3 d'un rouet 4 de compresseur centrifuge 5 et un couvercle 9. La turbine est de symétrie axiale autour de l'axe X'X.

[0020] Le compresseur 5 est ici centrifuge et le flux F comprimé sort alors radialement du rouet 4. Lorsque le compresseur est mixte, le flux sort incliné selon un angle compris entre 0° et 90° par rapport à une direction radiale, perpendiculaire à l'axe X'X.

[0021] Le flux F passe alors par un diffuseur 6, formé à la sortie du compresseur 4, pour être redressé et acheminé vers des canaux 7 d'entrée de chambre de combustion 8.

[0022] Pour effectuer ce redressement, le diffuseur 6 se compose d'une pluralité d'aubes courbes 60, formées entre deux flasques à la périphérie du rouet 4 - ici de manière radiale - et donc de révolution autour de l'axe X'X.

[0023] La figure 2a illustre plus précisément une vue en perspective du diffuseur 6 à aubes 60 solidarisées à deux flasques 61 . Sur la figure 2b, où un flasque a été supprimé pour plus de clarté, chaque aube 60 présente, de manière connue, une face dite extrados 6e et une face dite intrados 6i. Comme illustré plus précisément sur l'aube 60 de la figure 2c, ces faces extrados 6e et intrados 6i s'étendent longitudinalement et sensiblement parallèlement à une surface moyenne Fm de l'aube. Dans l'exemple illustré, ces faces sont reliées par un bord d'attaque effilé 6a et un bord de fuite arrondi 6f, dans le sens d'écoulement des flux d'air. Transversalement aux extrados et intrados, chaque aube 60 présente des flancs plans 6p solidaires des flasques 61 .

[0024] Les aubes présentent une évolution d'épaisseur entre leurs flancs 6p, suffisante pour y former des sillons comme décrit ci-après. Cette épaisseur peut atteindre plusieurs millimètres sur 20 à 100% de l'abscisse curviligne moyenne Sm de l'aube 60 le long de la surface moyenne Fm.

[0025]A l'aide des figures 3a et 3b, un premier exemple de réalisation d'un diffuseur à prélèvement et soufflage d'air sur aube va maintenant être décrit.

[0026] Sur la vue en coupe longitudinale de la figure 3a et la vue supérieure 3b, un sillon longitudinal 62 apparaît maintenant. Ce sillon débouche sur le bord de fuite 6f, sans être débouchant sur le bord d'attaque 6a. Ce sillon est réalisé par usinage du matériau d'alliage métallique du flanc 6p de chaque aube 60, formant des parois longitudinales 65, sensiblement parallèles aux faces intrados 6i et extrados 6e, et de fond 66 parallèlement aux flancs 6p.

[0027] De plus, l'aube 60 est pourvue d'une série d'orifices 63 débouchant dans la veine d'air V entre les aubes 60 via des cavités cylindriques de soufflage 64. Comme illustré par la figure 3b, des flux d'air F1 ainsi soufflés via les orifices 63 débouchent sur l'intrados 6i. Selon d'autres exemples de réalisation, les flux F1 peuvent également ou alternativement déboucher sur l'extrados 6e. Dans l'exemple, les orifices 63 sont alignées parallèlement aux bords d'attaque 6a et de fuite 6f.

[0028] Ces cavités de soufflage d'air 64 sont inclinées d'un angle compris entre 0 et 90° vers l'aval, par exemple de 30°, par rapport à l'abscisse curviligne moyenne Sm de l'aube. Les flux F1 débouchent par les orifices 63 et soufflent dans la veine V vers l'aval . Une partie de ces flux ainsi que d'autres flux provenant d'aubes adjacentes, sont aspirés, sous forme de flux Fi, de la veine V vers le sillon 62 dans la zone du bord de fuite 6f (au niveau du bord de fuite 6f dans l'exemple illustré). [0029] Les flux Fi sont alors injectés par aspiration dans le sillon 62 de l'aube 60 du côté amont où la pression est inférieure. La recirculation des flux d'air via le sillon entre les zones de bord de fuite 6f et d'attaque 6a réalise un couplage aspiration/soufflage. La ré-énergisation des flux d'air entrants permet alors de stabiliser ces flux et d'empêcher leur décollement ou éventuellement de les recoller si le décollement était amorcé. L'aspiration en bord de fuite, ou dans des zones proches du bord de fuite, permet également d'atténuer - voire de supprimer - les zones potentiellement encore décollées.

[0030]Alternativement, les cavités peuvent déboucher du côté extrados 6e, et/ou ces cavités peuvent être remplacées par une ou plusieurs fentes formées sur un flanc 6p. Des sillons peuvent également être usinés sur les deux flancs 6p opposés, en conservant une portion centrale de fond 66 des sillons.

[0031] En référence aux figures 4a et 4b, un deuxième exemple de diffuseur à prélèvement et soufflage d'air sur aube est illustré par des vues identiques que les figures 3a et 3b. Les figures 4a et 4b reprennent les signes de référence des figures 3a et 3b, lesquels signes renvoient aux mêmes éléments déjà définis dans les passages précédents, en référence respectivement aux figures 3a et 3b.

[0032] La différence avec le premier exemple de diffuseur tient aux moyens d'aspiration de flux d'air Fi dans le sillon 62 au niveau du bord de fuite 6f. Selon ce deuxième exemple, les flux Fi sont réinjectés via des cavités 74 réalisés dans l'intrados 6i du côté du bord de fuite 6f et débouchant dans le sillon 62. Les cavités d'aspiration sont, dans l'exemple illustré, sensiblement transversales. Alternativement, elles peuvent être inclinées d'un angle proche de ± 90° par rapport à la normale à l'abscisse curviligne Sm de l'aube 60 en fonction des configurations. Elles peuvent également être remplacées par des fentes comme les cavités de soufflage 64.

[0033] D'autres variantes pour ces premier et deuxième exemples sont illustrées aux schémas 5a à 5k de la figure 5. Ces schémas montrent une aube 62 en vue supérieure

[0034] Les schémas 5a à 5c se rapportent à des aubes 60 de sillons 62a à 62c respectivement de largeur « e » constante et débouchant sur le bord de fuite 6f (sillon 62a, schéma 5a), ou de largeur « e » linéairement variable en fonction de l'abscisse curviligne moyenne Sm de l'aube 60 (sillons 62b et 62c, schémas 5b et 5c). Le sillon peut être débouchant (sillons 62a et 62c, schémas 5a et 5c) ou non débouchant (sillon 62b, schéma 5b) sur le bord de fuite 6f. Lorsque le sillon est débouchant, le bord de fuite 6f présente alors des rebords 67 conformés pour optimiser l'aspiration d'air.

[0035] Par ailleurs, les cavités d'aspiration 74 et d'injection 64 peuvent déboucher sur les mêmes faces : intrados 6i (schémas 5d et 5e) ou extrados 6e (schémas 5f et 5g). Elles peuvent également déboucher sur des faces différentes : extrados 6e pour les cavités d'aspiration 74 et intrados 6i pour les cavités de réinjection 64 (schéma 5h), ou intrados 6i pour les cavités d'aspiration 74 et extrados 6e pour les cavités de réinjection 64 (schéma 5i). Les schémas 5d à 5i montrent un sillon 62b de largeur linéairement croissante et non débouchant.

[0036] En outre, les cavités ou fentes peuvent être positionnées et débouchées en tout point de la longueur du sillon, avec des angles pouvant tendre vers ± 90° par rapport à la normale à l'abscisse curviligne de l'aube.

[0037] Les sillons peuvent, de manière générale, s'étendre sur toute la longueur de l'aube 60 ou sur une longueur minimale, proche de 0% de la longueur totale.

[0038] De plus, plusieurs sillons peuvent être usinés sur un même flanc

6p, par exemple deux sillons, comme illustrés sur les schémas 5j et 5k. Sur le schéma 5j, les sillons 6j et 6j' se succèdent le long de l'aube 60. Sur le schéma 5k, les sillons 6k et 6k' sont sensiblement parallèles le long de l'aube 60. [0039] Par ailleurs, la figure 6a illustre une vue frontale d'un troisième exemple de diffuseur 60 conforme à l'invention. Dans cet exemple, le prélèvement d'air - toujours effectué en zone de bord de fuite 6f du diffuseur 6 (flèche F2) est réalisé par aspiration à travers une ouverture 70 réalisée radialement dans le flasque 61 . Les flux d'air F3 sont redirigés vers l'amont dans un logement de carter 71 sensiblement parallèle au diffuseur 6, ce logement 71 et le diffuseur 6 ayant le flasque 61 comme paroi commune. Le soufflage est réalisé par réinjection des flux F4 le long de la face interne 61 i du flasque 61 à travers des trous 72 formés dans la zone du bord d'attaque 6a du diffuseur 6.

[0040] Les trous 72 sont inclinés par rapport au flasque 61 comme cela apparaît plus précisément en référence à la vue schématique agrandie de la figure 6b. La diffusion des flux d'air F4 est ainsi réinjectée sur la face 61 i du flasque 61 située du côté intérieur du diffuseur 6. La ré-énergisation des zones de files d'air à faible quantité de mouvement est alors favorisée en bord d'attaque du diffuseur.

[0041] L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Ainsi, les cavités et fentes ne sont pas nécessairement cylindriques ou partiellement cylindriques mais peuvent de section variée : prismatiques, oblongues, etc. Par ailleurs, lorsque le prélèvement et la réinjection d'air est réalisé à travers le flasque, le logement de transit peut être formé dans le carter ou dans le moyeu du diffuseur.