WO2010043798A1 - Aube de turbine a performances aerodynamiques ameliorees - Google Patents

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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade, in particular a blade of a low-pressure turbine wheel of an airplane turbojet, whose aerodynamic behavior is improved to avoid "delamination" of the boundary layer of the air flow. relative to the surface of the dawn, mainly at the back of the extrados area.
  • the invention relates to a turbine blade, characterized in that it comprises at least one protuberance in the vicinity of its trailing edge, extrados side.
  • protuberances may advantageously be placed in the vicinity of the radially inner end of said trailing edge and / or in the vicinity of the outer radial end of said trailing edge.
  • the calculations result in placing several aforementioned protuberances distributed along the outer radial third of said trailing edge.
  • the shape of such a protuberance is preferably generally that of a rounded stud projecting from the surface of the extrados with smooth connection thereto.
  • a median section of the protrusion, perpendicular to the trailing edge will have the shape of a half-wave with smooth connection to the extrados surface.
  • another section of said protuberance perpendicular to said median section will have the form of a corrugation having a central end and sidewaves muffled.
  • said protrusion is similar to the waveform caused to the flat surface of a liquid by the drop of a drop of liquid, this waveform is not, however, isomorphic circumferentially around from the central point.
  • FIG. 1 is a partial perspective view of a turbine rotor wheel provided with blades according to the invention
  • - Figure 2 is a partial section of the blade, illustrating the profile of a protuberance according to the invention
  • - Figure 3 is a partial section in another plane illustrating the profile of said protuberance
  • FIG. 3 is a view similar to FIG. 3 illustrating a variant
  • FIG. 4 is a schematic view illustrating a step of the method for determining the number and locations of the protuberances along the trailing edge.
  • FIG. 1 shows a plurality of rotor blades 11, in this case moving blades oriented generally radially at the periphery of a rotary disc 13.
  • each blade of a certain progressive thickness from front to back, is curved between a leading edge 15 and a trailing edge 17.
  • the concave portion or intrados 19 is smooth.
  • the convex or extrados portion 21 is smooth over most of its surface except, according to the invention, some protuberances 25 distributed in the vicinity and along the trailing edge 17.
  • such a protuberance 25 preferably has the overall shape of a rounded stud projecting from the surface of the extrados 21 with smooth connection thereto.
  • a median section of said protuberance 25 made perpendicular to the trailing edge 17 is in the form of a simple half-wave with a smooth connection to the upper surface 21. It should be noted that the slope of this half-wave is weaker towards the front than towards the rear. According to this section, the protuberance is connected with continuity to the trailing edge.
  • FIG. 4 diagrammatically shows, from left to right, the various phases of the positioning of the protuberances on a blade 11 viewed along the extrados surface 21.
  • the grayed portion represents the so-called “delamination” zone 30 on the extrados side and at the neighborhood of the trailing edge.
  • this separation zone 30 extends over almost the entire height of the dawn from the edge of leak, with a maximum of width substantially halfway up.
  • the analysis of this shape leads to placing a first protuberance 25a in the vicinity of the maximum disturbance zone, that is to say halfway up the blade, near the trailing edge.
  • the result of this first simulation shows a decrease in the disturbance surface at mid-height but persistent disturbances at the radial ends, internal and external. This leads to placing another protuberance 25b in the vicinity of the radially inner end of the trailing edge and / or in the vicinity of the outer radial end 25c of the trailing edge.
  • the arrangement of three protuberances results in reducing the width of the disturbance zone or detachment zone over practically the entire radial height of the dawn with however a zone of pronounced disturbance persistence between the central protrusion and the external protuberance.

Abstract

Selon l'invention, une ou plusieurs protubérances (25) sont prévues sur l'aube de turbine, côté extrados (21) au voisinage de son bord de fuite (17). De telles protubérances permettent de réduire la zone de décollement au voisinage de la surface de l'aube, responsable de perturbations affectant le rendement de la turbine.

Description

Aube de turbine à performances aérodynamiques améliorées
L'invention se rapporte à une aube de turbine, notamment une aube de roue mobile de turbine basse pression d'un turboréacteur d'avion, dont la tenue aérodynamique est améliorée pour éviter des "décollements" de la couche limite du flux d'air par rapport à la surface de l'aube, principalement à l'arrière de la région d'extrados.
Dans la conception de nouvelles formes d'aubes de turbine, notamment les aubes mobiles équipant la roue d'un même étage de la turbine, on recherche à augmenter les performances en modifiant certains paramètres structurels. Notamment, pour réduire le poids de la turbine, l'une des solutions consiste à diminuer le nombre d'aubes, ce qui implique de redessiner les profils d'aube pour respecter les angles de sortie et pour compenser autant que faire se peut, la perte de rendement. Dans cette démarche, il est possible de mettre en évidence des risques de "décollement" nuisible de l'air entraîné, en extrados. Ces perturbations tourbillonnaires qui prennent naissance au voisinage de certaines zones de l'aube, en extrados, sont très coûteuses en performance. L'invention permet d'atténuer ces phénomènes de décollement.
Plus particulièrement, l'invention concerne une aube de turbine, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une protubérance au voisinage de son bord de fuite, côté extrados.
Pour la détermination de l'emplacement d'une telle protubérance le long du bord de fuite, on procède à partir d'une représentation de la zone de décollement côté extrados (cette représentation peut s'obtenir par le calcul) et on choisit de placer une telle protubérance au voisinage de la zone de perturbation maximum telle que déterminée sans cette protubérance. En procédant de la sorte, il est généralement de règle de placer au moins une protubérance précitée sensiblement à mi-hauteur du bord de fuite.
D'autres protubérances peuvent être avantageusement placées au voisinage de l'extrémité radiale interne dudit bord de fuite et/ou au voisinage de l'extrémité radiale externe dudit bord de fuite. Généralement, les calculs aboutissent à placer plusieurs protubérances précitées réparties le long du tiers radial externe dudit bord de fuite.
La forme d'une telle protubérance est de préférence globalement celle d'un plot arrondi faisant saillie à la surface de l'extrados avec raccordement lisse à celle-ci.
Préférentiellement, une section médiane de la protubérance, perpendiculaire au bord de fuite, aura la forme d'une demi-onde avec raccordement lisse à la surface d'extrados. Selon un mode de réalisation, une autre section de ladite protubérance perpendiculaire à ladite section médiane aura la forme d'une ondulation présentant un extrémum central et des ondes latérales amorties. Autrement dit, vu selon cette section, ladite protubérance est semblable à la forme d'onde provoquée à la surface plane d'un liquide par la chute d'une goutte de liquide, cette forme d'onde n'étant pas cependant isomorphe circonférentiellement autour du point central.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle- ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue partielle en perspective d'une roue de rotor de turbine munie d'aubes conformes à l'invention ;
- la figure 2 est une coupe partielle de l'aube, illustrant le profil d'une protubérance conforme à l'invention ; - la figure 3 est une coupe partielle dans un autre plan illustrant le profil de ladite protubérance ;
- la figure 3Â est une vue analogue à la figure 3 illustrant une variante ; et
- la figure 4 est une vue schématique illustrant une étape de la méthode de détermination du nombre et des emplacements des protubérances le long du bord de fuite.
La figure 1 représente plusieurs aubes 11 de rotor, en l'occurrence des aubes mobiles orientées globalement radialement à la périphérie d'un disque rotatif 13, Classiquement, chaque aube, d'une certaine épaisseur évolutive d'avant en arrière est incurvée entre un bord d'attaque 15 et un bord de fuite 17. La partie concave ou intrados 19 est lisse. La partie convexe ou extrados 21 est lisse sur Ia plus grande partie de sa surface à l'exception, selon l'invention, de quelques protubérances 25 distribuées au voisinage et le long du bord de fuite 17. De façon générale, une telle protubérance 25 a de préférence globalement la forme d'un plot arrondi faisant saillie à la surface de l'extrados 21 avec raccordement lisse à celle-ci.
Préférentiellement, le profil de la section de la protubérance, perpendiculairement à la surface de l'extrados au point où elle se trouve, évolue entre les formes illustrées aux figures 2 et 3. Ainsi, comme le montre la figure 2, une section médiane de ladite protubérance 25 faite perpendiculairement au bord de fuite 17 a la forme d'une simple demi-onde avec raccordement lisse à la surface d'extrados 21. On remarque que la pente de cette demi-onde est plus faible vers l'avant que vers l'arrière. Selon cette section, la protubérance vient se raccorder avec continuité au bord de fuite.
En revanche, si on considère une autre section de la même protubérance perpendiculaire à la précédente, c'est-à-dire parallèlement au bord de fuite comme représenté figure 3, on note que celle-ci a une forme plus complexe, à savoir une ou plusieurs ondulations présentant un extrémum central 27 et des ondes latérales amorties 28. Sur la variante de la figure 3A, on voit que la section de la protubérance 25 comporte plusieurs ondulations amorties de part et d'autre de l'extrémum. Comme mentionné précédemment, cette section est comparable à l'onde provoquée à la surface calme d'un liquide par la chute d'une goutte de liquide. Si on "tourne" autour de la protubérance, on passe d'une section à l'autre, avec continuité, en un quart de tour.
La forme préférentielle de la protubérance étant ainsi définie, on va maintenant décrire les emplacements de telles protubérances et la façon de déterminer ces emplacements. La figure 4 représente schématiquement et de gauche à droite les différentes phases du positionnement des protubérances sur une aube 11 vue selon la surface d'extrados 21. La partie grisée représente la zone dite "de décollement" 30 du côté de l'extrados et au voisinage du bord de fuite. On voit que sans protubérance, cette zone de décollement 30 s'étend sur pratiquement toute la hauteur de l'aube à partir du bord de fuite, avec un maximum de largeur sensiblement à mi-hauteur. L'analyse de cette forme conduit à placer une première protubérance 25a au voisinage de la zone de perturbations maximum, c'est-à-dire à mi-hauteur de l'aube, près du bord de fuite. Le résultat de cette première simulation, non représentée, fait apparaître une diminution de la surface de perturbation à mi-hauteur mais des perturbations persistantes aux extrémités radiales, interne et externe. Ceci conduit à placer une autre protubérance 25b au voisinage de l'extrémité radiale interne du bord de fuite et/ou au voisinage de l'extrémité radiale externe 25c du bord de fuite. Ainsi, par exemple, la disposition de trois protubérances, comme indiqué, qui correspond aussi au mode de réalisation visible sur la figure 1, aboutit à réduire la largeur de la zone de perturbations ou zone de décollement sur pratiquement toute la hauteur radiale de l'aube avec cependant une zone de perturbation prononcée persistance entre la protubérance centrale et la protubérance extérieure.
On constate que, conformément à la méthode mise au point dans le cadre de l'invention, le fait de placer une quatrième protubérance 25d le long du tiers radial externe du bord de fuite entre la protubérance centrale 25a et la protubérance extérieure 25c aboutit à réduire cette dernière zone de décollement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Aube de rotor de turbine, caractérisé en ce qu'elle comporte au moins une protubérance (25) au voisinage de son bord de fuite (17), côté extrados (21), l'intrados étant lisse.
2. Aube de rotor de turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'emplacement d'une telle protubérance (25) le long dudit bord de fuite est choisie au voisinage de la zone de décollement maximum (30), calculée sans cette protubérance.
3. Aube de rotor de turbine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte une protubérance (25a) précitée située sensiblement à mi-hauteur dudit bord de fuite.
4. Aube de rotor de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que plusieurs protubérances précitées sont réparties le long dudit bord de fuite.
5. Aube de rotor de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une telle protubérance (25b) au voisinage de l'extrémité radiale interne dudit bord de fuite.
6. Aube de rotor de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une telle protubérance
(25c) au voisinage de l'extrémité radiale externe dudit bord de fuite.
7. Aube de rotor de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs protubérances (25c-25d) précitées réparties le long du tiers radial externe dudit bord de fuite.
8. Aube de rotor de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une section médiane de ladite protubérance perpendiculaire au bord de fuite (figure 2) a la forme d'une demi-onde avec raccordement lisse à la surface d'extrados.
9. Aube de rotor de turbine selon la revendication 8, caractérisée en ce que la pente de la demi-onde est plus faible vers l'avant que vers l'arrière.
10. Aube de rotor de turbine selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce qu'une section de ladite protubérance perpendiculaire à ladite section médiane (figure 3) a la forme d'une ondulation présentant un extrémum central et des ondes latérales amorties.
11. Aube de rotor de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle constitue une aube mobile.
12. Roue de turbine, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'aubes selon l'une des revendications précédentes.
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