FR2968048A1

FR2968048A1 - Aube de turbomachine comprenant une source electroacoustique amelioree, rangee d'aubes directrices de sortie et turbomachine comprenant une telle aube

Info

Publication number: FR2968048A1
Application number: FR1059924A
Authority: FR
Inventors: Alexandre Alfred Gaston Vuillemin; Jacques Michel Albert Julliard
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-06-01
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: FR2968048B1

Abstract

Aube (10) pour turbomachine, comprenant deux surfaces aérodynamiques, respectivement d'intrados (18) et d'extrados (20), ainsi qu'une source électroacoustique (14), caractérisée en ce que ladite source électroacoustique (14) présente deux surfaces émissives (30, 32) qui font partie intégrante desdites surfaces aérodynamiques (18, 20) de l'aube (10). Rangée annulaire (56) d'aubes directrices de sortie pour turbomachine comprenant au moins une aube (10) du type décrit ci-dessus.

Description

1 AUBE DE TURBOMACHINE COMPRENANT UNE SOURCE ELECTROACOUSTIQUE AMELIOREE, RANGEE D'AUBES DIRECTRICES DE SORTIE ET TURBOMACHINE COMPRENANT UNE TELLE AUBE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des aubes pour turbomachine, en particulier pour turbomachine d'aéronef.

L'invention concerne en particulier une aube comportant une source électroacoustique destinée à réduire le bruit provoqué par la rotation des roues aubagées dans les turbomachines d'aéronef. L'invention est particulièrement destinée à la réduction du bruit provoqué par les soufflantes dans les turbomachines à double flux, et notamment du bruit de raies en régime partiel provoqué par l'interaction entre les sillages issus de ces soufflantes et les aubes directrices de sortie, parfois appelées OGV d'après la terminologie anglophone « Outlet Guide Vanes », qui sont disposées en aval de ces soufflantes. Ces aubes directrices de sortie subissent en effet l'impact d'un flux d'air présentant périodiquement un déficit de vitesse, ce qui induit une variation périodique de la charge appliquée sur ces aubes directrices de sortie, cette variation périodique de charge étant à l'origine du bruit de raies précité. Le bruit provoqué par les soufflantes s'est révélé être une des principales causes du bruit généré par les turbomachines des aéronefs, en particulier dans le cas des turbomachines à double flux à taux de dilution élevé qui équipent certains avions civils et dont les nacelles relativement courtes ne permettent pas l'installation de moyens d'insonorisation en quantité suffisante pour permettre une réduction efficace du bruit. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Pour réduire le bruit provoqué par les soufflantes, il a été proposé d'intégrer dans les aubes de stator agencées en aval des soufflantes une source électroacoustique commandée de manière à générer des ondes sonores en opposition de phase par rapport au bruit précité. Il est apparu que le bruit provoqué par les soufflantes prend sensiblement la forme d'un bruit dipolaire, c'est-à-dire d'un bruit de même type que celui produit par une plaque vibrante, qui se propage en direction de l'amont et de l'aval depuis les soufflantes. Il est donc souhaitable que la source électroacoustique intégrée dans les aubes de stator soit capable de générer un signal sonore qui soit également dipolaire pour que ce signal soit le mieux à même d'induire des interférences destructives avec le bruit des soufflantes. Pour cela, il a été proposé une aube de stator 10 du type représenté très schématiquement sur la figure 1 annexée, dont le corps 11 comprend une cavité 12 dans laquelle est logée une source électroacoustique 14. Comme le montre la figure 1, la source électroacoustique 14 comporte une membrane métallique 30 3 16 s'étendant en retrait par rapport aux surfaces aérodynamiques d'intrados 18 et d'extrados 20 de l'aube 10, ainsi qu'un actionneur piézoélectrique 22 appliqué contre la membrane 16 et relié par des moyens de liaison 23 à une unité électronique de commande, non visible sur la figure 1. La membrane 16 présente deux faces opposées permettant l'émission d'ondes sonores de part et d'autre de cette membrane 16 selon une configuration dipolaire. Toutefois, pour ne pas pénaliser les propriétés aérodynamiques des surfaces d'intrados 18 et d'extrados 20 de l'aube, il a été proposé d'obturer la cavité 12 ménagée dans le corps 11 de cette aube 10 au moyen de couvertures profilées 24. A cet effet, les couvertures profilées 24 présentent vers l'extérieur de l'aube une surface 25 faisant partie intégrante des surfaces aérodynamiques 18 et 20 de l'aube.

De plus, ces couvertures profilées 24 sont réalisées en un matériau partiellement transparent aux ondes sonores émises par la source électroacoustique 14, par exemple en fibres métalliques. Or, un tel matériau présente en général une porosité importante de nature à perturber l'écoulement de l'air au contact de ces couvertures profilées. De plus, ces couvertures profilées 24 présentent l'inconvénient de ne pas transmettre une partie de l'énergie acoustique générée par la source électroacoustique logée dans l'aube. 4 De ce fait, l'utilisation de telles couvertures profilées rend nécessaire le recours à une membrane de relativement grande étendue, et donc à une cavité présentant de grandes ouvertures dans le corps de l'aube, ce qui tend à fragiliser cette aube. D'une manière générale, l'utilisation de couvertures profilées de ce type pénalise le rendement énergétique des turbomachines. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter au moins en partie les inconvénients précités. Elle a en particulier pour but de permettre une réduction efficace du bruit provoqué par les soufflantes des turbomachines, ainsi qu'un rendement énergétique optimal des turbomachines et une solidité satisfaisante des aubes de ces turbomachines. L'invention propose à cet effet une aube pour turbomachine, comprenant deux surfaces aérodynamiques, respectivement d'intrados et d'extrados, ainsi qu'une source électroacoustique qui présente, selon l'invention, deux surfaces émissives qui font partie intégrante desdites surfaces aérodynamiques de l'aube. L'invention permet ainsi une émission sonore depuis les deux surfaces aérodynamiques de l'aube, selon une configuration pouvant éventuellement être de type dipolaire.

Elle permet en outre d'éviter le recours à des couvertures profilées en un matériau poreux et acoustiquement absorbant, du type utilisé dans les aubes de l'art antérieur. L'invention permet ainsi de conserver les caractéristiques aérodynamiques de l'aube et donc 5 d'obtenir un meilleur rendement énergétique par rapport aux aubes de type connu. L'invention rend en outre possible l'utilisation d'une source électroacoustique de dimensions relativement réduites et n'ayant donc qu'un impact modéré sur la solidité de l'aube. Afin que l'émission sonore produite par la source électroacoustique soit de type dipolaire, cette source est de préférence configurée de sorte qu'en fonctionnement, les surfaces emissives précitées vibrent en phase. Pour cela, la géométrie des éléments composant la source électroacoustique et/ou la configuration de moyens de commande de celle-ci peuvent être adaptés en conséquence, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit. Préférentiellement, les surfaces émissives précitées sont de même forme. Le champ acoustique issu de la source électroacoustique peut ainsi se rapprocher au mieux 25 d'un champ de type dipolaire. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la source électroacoustique comprend des moyens transducteurs montés dans une cavité d'un corps de l'aube de manière à permettre une mise en vibration 30 des surfaces émissives. 6 La source électroacoustique comprend de préférence deux membranes, qui sont respectivement raccordées aux deux surfaces aérodynamiques de l'aube de manière à obturer la cavité du corps de celle-ci, et qui sont sollicitées par les moyens transducteurs, les membranes formant respectivement les surfaces émissives précitées de la source électroacoustique. Les moyens transducteurs comprennent avantageusement au moins un actionneur piézoélectrique appliqué contre l'une au moins desdites membranes. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens transducteurs comprennent deux actionneurs piézoélectriques respectivement appliqués contre lesdites membranes.

Chaque actionneur piézoélectrique permet ainsi de solliciter une membrane correspondante. Il est alors préférable que les deux actionneurs piézoélectriques soient commandés de manière synchronisée, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit. En variante, les moyens transducteurs peuvent comprendre un unique actionneur piézoélectrique comprenant deux faces opposées respectivement appliquées contre les deux membranes précitées.

Dans ce cas, les membranes vibrent naturellement à l'unisson de sorte que le champ acoustique provenant de ces membranes peut être de type dipolaire. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, les membranes sont réalisées en un matériau métallique. 7 Un tel matériau présente l'avantage de pouvoir être parfaitement hermétique à l'écoulement de l'air de sorte que la présence des membranes ne nuise pas aux propriétés aérodynamiques de l'aube.

De plus, un tel matériau permet une fixation aisée des membranes au corps de l'aube. A cet effet, l'aube comprend de préférence une structure métallique délimitant la cavité précitée du corps de l'aube et sur laquelle lesdites membranes sont fixées par soudage. La structure métallique peut former le corps de l'aube tout entier si celui-ci est réalisé en métal de manière conventionnelle, ou former un encadrement de la cavité précitée qui soit intégré au corps de l'aube, si ce dernier est réalisé en un matériau composite. L'invention concerne également une rangée annulaire d'aubes directrices de sortie pour turbomachine, comprenant au moins une aube du type décrit ci-dessus. On entend par rangée annulaire d'aubes directrices de sortie un ensemble d'aubes de stator, parfois également appelé redresseur, destiné à être monté dans un espace d'écoulement d'un flux secondaire d'une turbomachine, en aval d'une soufflante de cette turbomachine. Comme cela a été indiqué ci-dessus, les aubes d'un tel ensemble sont parfois désignées par l'acronyme anglais OGV (Outlet Guide Vane). Préférentiellement, chaque aube de la rangée annulaire d'aubes directrices de sortie est une aube du type décrit ci-dessus. 8 L'invention concerne encore une turbomachine, comprenant au moins une aube du type décrit ci-dessus. En particulier, l'invention concerne une turbomachine comprenant une rangée annulaire d'aubes directrices de sortie du type décrit ci-dessus. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la turbomachine comprend des moyens de synchronisation des deux actionneurs piézoélectriques précités de chaque aube comprenant une source électroacoustique. Ces moyens de synchronisation permettent aux actionneurs piézoélectriques de solliciter les deux membranes de la source électroacoustique correspondante à l'unisson et rendent ainsi possible l'émission d'un champ acoustique dipolaire par ces membranes. D'une manière générale, la turbomachine comprend des moyens de commande de la source électroacoustique de chaque aube du type décrit ci- dessus, lesquels moyens comportent une boucle de rétroaction et sont configurés de manière à minimiser une grandeur mesurée par un ou de préférence plusieurs capteurs de la boucle de rétroaction. La grandeur minimisée par les moyens de commande précités peut être l'intensité sonore globale ou l'intensité sonore mesurée dans une bande de fréquences prédéterminée, par exemple dans une bande de fréquences centrée sur la fréquence de rotation d'une soufflante de la turbomachine.

Dans ce cas, le ou les capteurs peuvent être des microphones standards ou encore des capteurs 9 piézorésistifs, par exemple du type de ceux commercialisés sous la marque « Kulite » (marque déposée), et ce ou ces capteurs sont de préférence intégrés à une enveloppe annulaire entourant l'espace d'écoulement du flux d'air dans lequel sont disposées les aubes du type décrit ci-dessus, cette enveloppe annulaire pouvant faire partie d'un carter ou d'une nacelle de la turbomachine. En particulier, le ou les capteurs sont avantageusement disposés à proximité d'une extrémité amont et/ou aval de cette turbomachine. Le bruit mesuré à ce niveau présente l'avantage d'être semblable au bruit propagé à grande distance de la turbomachine. Ce ou ces capteurs sont ainsi de préférence disposés au niveau d'une manche d'entrée de la turbomachine pour permettre une mesure du bruit émis vers l'amont par une soufflante de la turbomachine, et au niveau d'une tuyère secondaire de la turbomachine pour permettre une mesure du bruit émis vers l'aval par ladite soufflante. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1, déjà décrite, est une vue schématique partielle d'une aube d'un type connu, en coupe selon un plan sensiblement perpendiculaire à la corde de l'aube ; 10

la figure 2 est une vue schématique partielle d'une aube selon un premier mode de réalisation de l'invention, en coupe selon un plan sensiblement perpendiculaire à la corde de l'aube ; - la figure 3 est une vue schématique partielle en demi-coupe axiale d'un turboréacteur d'avion à double flux selon l'invention, comprenant l'aube de la figure 2 ; la figure 4 est une vue schématique partielle d'une aube selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, en coupe selon un plan sensiblement perpendiculaire à la corde de l'aube. Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PREFERES La figure 2 représente une aube 10 selon un premier mode de réalisation de l'invention, cette aube 10 étant destinée à faire partie d'une rangée annulaire d'aubes directrices de sortie dans un turboréacteur d'avion à double flux, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit. L'aube 10 de la figure 2 est semblable à celle de la figure 1 mais diffère de celle-ci du fait que la source électroacoustique 14 montée dans la cavité 12 du corps 11 de l'aube 10 comporte deux membranes métalliques 26 et 28 respectivement raccordées aux surfaces d'intrados 18 et d'extrados 20 de l'aube de sorte que chacune de ces membranes 26, 28 présente vers l'extérieur de l'aube une surface externe 11 émissive 30, 32 faisant partie intégrante de la surface d'intrados 18, respectivement d'extrados 20, de l'aube 10. Les membranes métalliques 26 et 28 sont de forme sensiblement identique et sont par exemple réalisées en aluminium. Le corps 11 de l'aube 10 est réalisé en un matériau métallique de sorte que chacune des membranes métalliques 26 et 28 peut être fixée au corps 11 de l'aube par soudage ou par tout autre moyen analogue. La source électroacoustique 14 comprend en outre des moyens transducteurs prenant la forme d'un actionneur piézoélectrique 22 monté dans la cavité 12 et présentant deux faces opposées 36 et 38 qui sont appliquées respectivement contre une surface interne 40 respective des deux membranes 26 et 28 de manière à permettre une sollicitation mécanique de ces membranes 26 et 28. L'actionneur piézoélectrique 22 est connecté à des moyens de liaison électrique 23 destinés au raccordement de l'actionneur 22 à des moyens de commande 42, comme l'illustre la figure 3. Cette figure 3 représente un turboréacteur d'avion 44 à double flux comprenant une soufflante 46, un compresseur basse pression 48 et un compresseur haute pression 50 qui définissent un espace 52 d'écoulement d'un flux primaire 54 du turboréacteur, ainsi qu'une rangée annulaire 56 d'aubes directrices de sortie s'étendant au travers d'un espace 58 d'écoulement d'un flux secondaire 60 du turboréacteur 12 délimité extérieurement par une nacelle 62 de ce turboréacteur. La rangée annulaire 56 d'aubes directrices de sortie comprend un ensemble d'aubes 10 du type décrit ci-dessus qui intègrent chacune une source électroacoustique 14 dont l'actionneur piézoélectrique est raccordé aux moyens de commande 42 précités. Ces moyens de commande 42 sont par exemple intégrés à la nacelle 62 et comportent une unité électronique 63 destinée à mettre en oeuvre un algorithme de commande de l'actionneur piézoélectrique 22 de la source électroacoustique 14 de chaque aube 10. Les moyens de commande 42 comportent en outre une boucle de rétroaction comprenant des capteurs acoustiques ou sonomètres 64 intégrés à la nacelle 62, par exemple à proximité de son extrémité amont, c'est- à-dire au niveau de la manche d'entrée du turboréacteur. Les capteurs acoustiques 64 sont connectés à l'unité électronique 63 par l'intermédiaire de moyens de liaison 66 afin de fournir à l'unité électronique 63 la mesure de l'intensité sonore mesurée au niveau de ces capteurs 64 dans des bandes de fréquences acoustiques respectivement centrées sur la raie principale de la soufflante (46) et sur ses harmoniques. En fonctionnement, l'interaction entre les sillages générés par les aubes de la soufflante 46 en rotation et les aubes de la rangée annulaire 56 d'aubes directrices de sortie peut être à l'origine de l'émission d'ondes sonores 68 se propageant vers 13 l'amont et vers l'aval depuis les aubes de la soufflante 46. Cette dernière se comporte ainsi sensiblement comme une source dipolaire. L'actionneur piézoélectrique 22 qui fait partie de la source électroacoustique 14 de chaque aube 10 de la rangée annulaire 56 d'aubes directrices de sortie est commandé pour générer des ondes sonores 70 de nature à induire des interférences destructives avec les ondes sonores 68 provenant de la soufflante 46, de manière à minimiser l'intensité sonore mesurée par les capteurs acoustiques 64. Il est à noter que les deux membranes 26 et 28 sont sollicitées à l'unisson par l'actionneur piézoélectrique 22. Etant donné que ces membranes sont de forme sensiblement identique, cela permet l'émission d'ondes sonores selon une configuration sensiblement dipolaire. Les aubes 10 de la rangée annulaire 56 d'aubes directrices de sortie du turboréacteur permettent ainsi de réduire considérablement le bruit de raies provenant de la soufflante 46, tout en présentant de bonnes propriété aérodynamiques ainsi qu'une solidité satisfaisante. En variante, le corps 11 de chaque aube 10 peut être réalisé en un matériau composite et intégrer une structure métallique encadrant la cavité 12 et à laquelle les membranes métalliques 26 et 28 peuvent également être fixées par soudage ou analogue. Par ailleurs, les deux membranes 26 et 28 30 de chaque aube 10 peuvent être de forme différente 14 lorsqu'il n'est pas requis que le champ acoustique induit par ces membranes soit de type dipolaire. Il est à noter que les surfaces externes 30 et 32 des membranes 26 et 28 constituent des surfaces émissives de la source électroacoustique 14, dans la terminologie propre à la présente invention. En variante toutefois, lorsque cela présente un intérêt, la source électroacoustique 14 peut ne pas comporter de membrane, auquel cas l'émission d'onde sonores peut être assurée directement par les surfaces opposées 36 et 38 de l'actionneur piézoélectrique 22, lesquelles surfaces constituent alors les surfaces émissives de la source électroacoustique 14.

La figure 4 illustre une aube 10 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, qui diffère de l'aube de la figure 2 du fait qu'elle comprend deux actionneurs piézoélectriques 22a et 22b qui sont respectivement appliqués contre les deux membranes 26 et 28 de la source électroacoustique 14 de l'aube 10. Ces deux actionneurs piézoélectriques 22a et 22b sont connectés à des moyens de liaison correspondants 23a et 23b.

L'aube 10 de la figure 4 est destinée à être utilisée dans une turbomachine d'une manière analogue à ce qui a été décrit ci-dessus. Il est à noter que les moyens de commande d'une telle aube comprennent de préférence des moyens de synchronisation des deux actionneurs piézoélectriques 22a et 22b afin que les deux membranes 15

26 et 28 vibrent à l'unisson et donc que l'émission d'ondes sonores par la source électroacoustique 14 se fasse selon une configuration sensiblement dipolaire.5

Claims

REVENDICATIONS1. Aube (10) pour turbomachine, comprenant deux surfaces aérodynamiques, respectivement d'intrados (18) et d'extrados (20), ainsi qu'une source électroacoustique (14), caractérisée en ce que ladite source électroacoustique (14) présente deux surfaces émissives (30, 32) qui font partie intégrante desdites surfaces aérodynamiques (18, 20) de l'aube (10).
2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite source électroacoustique (14) est configurée de sorte qu'en fonctionnement, lesdites surfaces émissives (30, 32) vibrent en phase.
3. Aube selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite source électroacoustique (14) comprend des moyens transducteurs (22, 22a, 22b) montés dans une cavité (12) d'un corps (11) de ladite aube (10) de manière à permettre une mise en vibration desdites surfaces émissives (30, 32).
4. Aube selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite source électroacoustique (14) comprend deux membranes (26, 28) qui sont respectivement raccordées auxdites surfaces aérodynamiques (18, 20) de manière à obturer ladite cavité (12) et qui sont sollicitées par lesdits moyens transducteurs (22, 22a, 22b), lesdites membranes (26, 28) formant respectivement lesdites surfaces émissives (30, 32) de la source électroacoustique (14). 17
5. Aube selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits moyens transducteurs comprennent au moins un actionneur piézoélectrique (22, 22a, 22b) appliqué contre l'une au moins desdites membranes (26, 28).
6. Aube selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits moyens transducteurs comprennent deux actionneurs piézoélectriques (22a, 22b) respectivement appliqués contre lesdites membranes (26, 28).
7. Aube selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que lesdites membranes (26, 28) sont réalisées en un matériau métallique.
8. Aube selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend une structure métallique (11) délimitant ladite cavité et sur laquelle lesdites membranes sont fixées par soudage.
9. Rangée annulaire (56) d'aubes directrices de sortie pour turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une aube (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une aube (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 ou une rangée annulaire (56) d'aubes directrices de sortie selon la revendication 9. 18
11. Turbomachine selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (42) de commande de ladite source électroacoustique (14) de chaque aube (10) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8 qui comportent une boucle de rétroaction et qui sont configurés de manière à minimiser une grandeur mesurée par au moins un capteur (64) de ladite boucle de rétroaction.