FR2906563A1 - Methode de traitement acoustique d'un moteur d'avion comprenant une turbosoufflante. aube traitee - Google Patents

Methode de traitement acoustique d'un moteur d'avion comprenant une turbosoufflante. aube traitee Download PDF

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Abstract

La présent invention porte sur une méthode de traitement acoustique d'un moteur d'avion à turbosoufflante, ladite turbosoufflante comprenant à l'intérieur d'un carter de soufflante, une première roue d'aubes, mobiles en rotation autour de l'axe du moteur, et une seconde roue d'aubes dans le sillage de la première roue. Cette méthode est caractérisée par le fait que l'on ménage des cavités (13) sur au moins une partie des aubes (12A) de la seconde roue, à proximité de leur bord d'attaque sur la paroi extrados et/ou intrados, de manière à réduire l'amplitude et les fluctuations de pression instationnaire en surface des aubes. L'invention porte aussi sur une aube pleine comportant des cavités.

Description

1 La présente invention concerne le domaine des moteurs d'avion notamment
des turboréacteurs multiflux à turbosoufflante et vise le traitement acoustique de cette dernière.
Un turboréacteur multiflux, le plus souvent à double flux, pour la propulsion d'avions de transport comprend une soufflante généralement amont délivrant un flux d'air annulaire avec une partie annulaire centrale, primaire, qui alimente le moteur entraînant la soufflante et une partie annulaire extérieure, secondaire, qui est éjectée dans l'atmosphère tout en fournissant une fraction importante de la poussée. La soufflante est contenue dans un carter délimitant le flux secondaire. Un élément structural du moteur désigné carter intermédiaire comprend un moyeu supportant les arbres reliant les différents rotors, un carter annulaire extérieur et des bras de liaison radiaux entre les deux. Les bras radiaux transmettent une partie des efforts entre le moteur et son support. Actuellement, sur les moteurs, des ailettes statoriques sont disposées le plus souvent, entre le rotor de la soufflante et les bras du carter intermédiaire, pour redresser le flux secondaire dans l'axe du moteur.
Cette fonction de redresseur de flux implique un nombre d'aubes de stator important, de l'ordre de 30 à 40 sur un moteur à double flux dont le nombre d'aubes sur le rotor de soufflante est de 15 à 20, et par conséquent une épaisseur maximale de ceux-ci relativement faible. Elle est dans cet exemple de 10 à 15mm. Le déplacement vers l'arrière des aubes de redresseur par rapport au rotor, a un effet favorable sur l'émission du bruit émis vers l'arrière du moteur par la soufflante. Il est important de préciser également que le choix du nombre d'aubes du redresseur est déjà guidé par des critères acoustiques appliqués lors de la conception pour réduire le bruit à la source. Ce critère se traduit par un nombre d'aubes au moins 2 fois plus important sur le stator que sur le rotor pour assurer la coupure du mode d'interaction entre le sillage du rotor et le stator à la fréquence de passage des aubes mobiles. Cette recommandation s'applique maintenant généralement lors de la conception de toute soufflante. En effet l'interaction des sillages du rotor de la soufflante avec les redresseurs est 35 généralement reconnue comme une source de bruit importante, notamment pendant les phases de vol à l'approche des aéroports et au décollage. Ce problème se retrouve également dans le cas d'une architecture de type contra-fan. On désigne par ce terme une soufflante constituée de deux rotors coaxiaux 40 disposés l'un derrière l'autre et tournant dans des directions opposées. L'interaction des sillages du premier rotor de soufflante avec le second est de première importance dans la génération du bruit, en particulier pour un régime proche du décollage de l'avion. 2906563 2 Les solutions actuelles relatives à l'augmentation de la distance relative entre les deux rangées d'aubages et les rapports du nombre d'aubes doivent prendre en compte un certain nombre de contraintes telles que celles liées par exemple à 5 l'encombrement dans le moteur et la masse totale du système. Il en résulte un compromis qui ne permet pas de réduire sensiblement les interactions mentionnées ci-dessus, qui contribuent toujours de manière importante au bruit en restant des sources sonores qu'il convient de réduire. 10 Les solutions connues de traitement du bruit interviennent généralement de manière à l'atténuer après sa génération. La demanderesse s'est fixé comme objectif de s'attaquer au problème du bruit dès sa génération. 15 Plus particulièrement elle s'est fixé comme objectif de trouver un moyen capable de réduire le bruit lié aux interactions aérodynamiques existant entre un rotor, première roue d'aubes, et un second aubage, seconde roue d'aubes, qui est en mouvement relatif par rapport au premier, c'est-àdire soit dans une configuration 20 rotor de soufflante associé à une roue d'ailettes statoriques, soit pour une architecture de type contra-fan. Conformément à l'invention on parvient à cet objectif avec une méthode de traitement acoustique d'un moteur d'avion à turbosoufflante, ladite 25 turbosoufflante comprenant à l'intérieur d'un carter de soufflante, une première roue d'aubes, mobile en rotation autour de l'axe du moteur, et une seconde roue d'aubes dans le sillage de la première roue, caractérisée par le fait que l'on ménage des cavités sur au moins une partie des aubes de la seconde roue, à proximité de leur bord d'attaque sur la paroi extrados et/ou intrados, de manière à 30 réduire l'amplitude et les fluctuations de pression instationnaire en surface des aubes. L'invention résulte de la constatation que le flux d'air en sortie du rotor mobile de soufflante présente un profil des vitesses périodique avec des creux correspondants au sillage des aubes de la soufflante ce qui engendre le bruit. Les cavités ménagent des colonnes d'air oscillantes ayant un effet d'amortissement. De préférence les cavités sont traversantes de manière à obtenir des colonnes d'air, formant amortisseurs, d'étendue la plus élevée possible.
Les cavités, par exemple à section circulaire, sont suffisamment petites pour ne pas perturber l'aérodynamisme des aubes. Ainsi leur diamètre est inférieur à 0,5 mm, de préférence inférieur à 0,2 mm et plus particulièrement de l'ordre de 0,1 2906563 3 mm. L'aube est avantageusement pleine, au moins dans la zone du bord d'attaque où l'on ménage les cavités. La méthode de traitement acoustique s'applique au cas d'un moteur dont ladite 5 seconde roue forme redresseur statorique. La méthode de traitement acoustique s'applique également au cas d'un moteur dont ladite seconde roue est la seconde roue mobile d'un ensemble de rotors formant une soufflante de type contra-fan. La présente invention présente l'avantage d'assurer une réduction de bruit généré sans ajout de masse supplémentaire ni encombrement. Un tel moyen vient le cas échéant compléter un traitement acoustique plus conventionnel par traitement des parois du canal de soufflante. La présente invention vise également une aube de turbomachine comportant des cavités de diamètre inférieur à 0,5 mm, de préférence inférieur à 0,2 mm, et utilisée pour la mise en oeuvre du traitement acoustique selon l'invention.
20 Plus particulièrement, les cavités sont de section circulaire et/ou sont traversantes de l'intrados à l'extrados de l'aube. L'invention vise également une turbosoufflante de turboréacteur et un moteur d'avion à turbosoufflante comprenant au moins une aube ainsi traitée. On décrit maintenant un mode réalisation non limitatif de l'invention en référence aux dessins sur lesquels, la figure 1 montre en coupe axiale un turboréacteur à soufflante avant, 30 connu en soi, la figure 2 montre une aube comportant des cavités selon l'invention vue de profil, la figure 3 montre l'aube de la figure 2 vue en coupe transversale selon la direction III-III.
35 Un moteur d'avion auquel s'applique avantageusement l'invention est un turboréacteur 1 à double flux et à soufflante avant. Il comprend une première roue d'aubes 3, formant rotor de soufflante, mobile en rotation autour de l'axe XX du moteur en étant montée en extrémité avant d'un arbre 5 qui est relié vers 40 l'aval à une turbine 6. La soufflante aspire l'air et le comprime en un flux annulaire. Une partie de ce flux forme un flux primaire P du côté de l'axe XX du moteur et une autre partie forme un flux secondaire S qui lui est concentrique. Le flux primaire P passe dans des étages successifs de compression 7. Le flux 10 15 25 2906563 4 primaire P est ainsi comprimé et guidé jusqu'à la chambre de combustion 8. Les gaz résultant de la combustion sont dirigés vers les rotors de turbine où l'énergie est récupérée en partie avant éjection du moteur vers l'aval. La turbine 6, basse pression, est reliée au rotor de la soufflante 3 par l'arbre 5. Le flux secondaire S 5 est canalisé vers l'aval entre le carénage 9 du corps du flux primaire et le carter extérieur 10 de soufflante, et traverse la roue formée par le carter intermédiaire 11. Ce carter intermédiaire 11 comprend un moyeu, traversé par l'arbre 5, dit basse pression, du moteur, qui supporte les paliers avant des deux arbres, haute pression et basse pression. Une virole extérieure du carter intermédiaire 11 10 supporte la virole du carter de soufflante 10. Des bras radiaux 11B dits de liaison relient le moyeu à la virole extérieure. Cet ensemble forme le carter intermédiaire 11 et a une fonction structurale dans la mesure où les efforts sont transmis par son intermédiaire ; en particulier les moyens de fixation du moteur à la structure de l'avion dans la partie avant sont solidaires du carter intermédiaire 11.
15 Celui-ci est constitué majoritairement d'une seule pièce forgée mais une partie des bras radiaux peut être boulonnée entre le moyeu et la virole. Les bras radiaux 11B ont dans cet exemple une fonction structurale essentiellement.
20 Une deuxième roue d'aubes 12 disposée en aval de la première roue 3 et dans son sillage, forme redresseur de flux. Cette roue 12 est composée d'aubes ou ailettes fixes radiales entre le carénage 9 et le carter 10. Les aubes ont un profil aérodynamique et sont en nombre suffisant pour redresser le flux secondaire d'air provenant du rotor de soufflante 3 dans l'axe du moteur. Cette roue est ici en 25 amont du carter intermédiaire. Cette fonction de redresseur de flux implique un nombre de bras important, de l'ordre de 30 à 40 sur un moteur à double flux dont le nombre d'aubes sur le rotor de soufflante est de 15 à 20, et par conséquent une épaisseur maximale de 30 ceux-ci relativement faible. Elle est de l'ordre de 10 à 15 mm dans cet exemple. Le choix du nombre d'aubes de la deuxième roue d'aubes 12 formant redresseur est aussi guidé par des critères acoustiques appliqués lors de la conception pour réduire le bruit à la source. Le nombre d'aubes est au moins 2 fois celui de la première roue pour assurer la coupure du mode d'interaction entre le sillage du 35 rotor et le stator à la fréquence de passage des aubes mobiles. Il est également connu par ailleurs de traiter acoustiquement les parois du canal annulaire de soufflante par la mise en oeuvre d'éléments amortisseurs de bruit. Selon les méthodes connues, l'amortissement acoustique peut être réalisé de deux 40 façons différentes soit au moyen de résonateurs d'Helmholtz à n degrés de liberté (n=1 ou 2 en général) soit au moyen d'éléments absorbants en volume. Les 2906563 5 résonateurs d'Helmholtz sont couramment utilisés dans les conduits de turboréacteurs à cause de leurs excellentes propriétés mécaniques et acoustiques. Conformément à l'invention, on propose un moyen pour réduire, directement à la 5 source, le bruit engendré par l'interaction entre la première roue et la seconde roue d'aubes. La roue 12 est suffisamment proche de la roue 3, dans son sillage, pour qu'il existe une interaction génératrice de bruit. Comme on le voit sur les figures 2 et 3, on ménage sur les aubes 12A de la 10 seconde roue 12 des cavités 13. Ces cavités sont cylindriques et disposées à proximité du bord d'attaque de l'aube, de préférence dans la moitié amont de la corde de l'aube. Elles sont par exemple à section circulaire. Elles sont aussi de faible diamètre de manière à ne 15 pas perturber l'écoulement le long des parois de l'aube. Avantageusement, ce diamètre est de 0,1 mm. Les cavités peuvent être ménagées sur l'un ou/et l'autre de l'intrados et l'extrados de l'aube mais de préférence elles sont traversantes comme cela est 20 représenté sur la figure 3. L'axe des cavités par rapport à la corde Le nombre de cavités est suffisant pour assurer un amortissement efficace. Le nombre de cavités par unité de surface est de préférence compris entre 3 et 20 par cm2.
25 La fonction de ces cavités est la suivante. En sortie de la première roue d'aubes, le flux d'air a un profil de vitesses périodique avec des creux au niveau du sillage des aubes de la première roue. Il s'ensuit des fluctuations d'écoulement avec une réponse au niveau des aubes de la seconde roue en raison de la proximité de 30 celle-ci en aval de la première. Ce sont ces fluctuations qui sont à l'origine du bruit résultant de l'interaction entre la première et la seconde roue d'aubes. L'air contenu dans les cavités est amené à osciller ce qui induit un amortissement de la partie fluctuante de la vitesse du flux d'air et une réduction de l'amplitude et des fluctuations de pression instationnaire en surface des aubes. Le bénéfice résultant 35 de cette disposition porte à la fois sur les fréquences pures liées à la partie périodique et sur le bruit à large bande lié à la partie turbulente de l'interaction entre la première et la seconde roues. Il est à noter que lorsque les cavités sont traversantes, il n'y a pas transfert de 40 fluide d'une face à l'autre. Le débit est globalement nul.
2906563 6 On a décrit l'invention en rapport avec un exemple de réalisation où la seconde roue est fixe et constitue un redresseur entre la roue de soufflante et les bras du carter intermédiaire. Cependant selon une autre application le redresseur peut être réalisé au niveau du carter intermédiaire ce qui présente un certain avantage dans 5 la mesure où l'on éloigne ainsi le redresseur de la roue mobile. Par ailleurs l'invention s'applique également à l'amortissement du bruit dans le cas d'une architecture de type contra-fan, où la seconde roue d'aubes est alors la roue mobile contrarotative par rapport à la première roue. 10

Claims (9)

Revendications
1. Méthode de traitement acoustique d'un moteur d'avion à turbosoufflante, ladite turbosoufflante comprenant à l'intérieur d'un carter de soufflante, une première roue d'aubes (3), mobiles en rotation autour de l'axe du moteur, et une seconde roue d'aubes (12) dans le sillage de la première roue, caractérisée par le fait que l'on ménage des cavités (13) sur au moins une partie des aubes (12A) de la seconde roue, à proximité de leur bord d'attaque sur la paroi extrados et/ou intrados, de manière à réduire l'amplitude et les fluctuations de pression instationnaire en surface des aubes.
2. Méthode de traitement acoustique selon la revendication précédente d'un moteur dont ladite seconde roue (12) forme redresseur statorique.
3. Méthode de traitement acoustique selon la revendication 1 d'un moteur dont ladite seconde roue est la seconde roue mobile d'un ensemble de rotors formant une soufflante de type contra-fan. 20
4. Aube pleine pour la mise en mise en oeuvre de la méthode de l'une des revendications 1 à 3 comprenant des cavités (13) de diamètre inférieur à 0,5 mm, de préférence inférieur à 0,2 mm.
5. Aube pleine selon la revendication précédente dont les cavités (13) sont de 25 section circulaire.
6. Aube selon la revendication 4 ou 5 dont les cavités sont traversantes de l'intrados à l'extrados. 30
7. Aube selon l'une des revendications 4 à 6 dont les cavités sont disposées le long du bord d'attaque dans la moitié amont de la corde de l'aube.
8. Soufflante de turboréacteur comportant au moins une aube selon l'une des revendications 4 à 7.
9. Moteur d'avion à turbosoufflante comportant au moins une aube selon l'une des revendications 4 à 7. 35
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