FR2975122A1

FR2975122A1 - Rotor avec espacement asymetrique de pales

Info

Publication number: FR2975122A1
Application number: FR1253171A
Authority: FR
Inventors: Loc Quang Duong; Xiaolan Hu; Nagamany Thayalakhandan; Bo Zheng; Benjamin E Fishler; Gao Yang; Anthony C Jones; James C Napier; Jay M Francisco
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2012-11-16
Anticipated expiration: 2032-04-05
Also published as: FR2975122B1; US20120288373A1

Abstract

Un appareil de turbine qui comprend un rotor (30) avec une section de moyeu (32) définie autour d'un axe de rotation (A) et une pluralité de pales fixées à la section de moyeu (32). La pluralité de pales comprend un premier groupe comportant un premier espacement angulaire (S1) dans un premier secteur circonférentiel (38A) du rotor (30), et un second groupe comportant un second espacement angulaire (S2) dans un second secteur circonférentiel (38B) du rotor (30). Le premier espacement angulaire (S1) est différent du second espacement angulaire (S2), et les pales de rotor sont asymétriques autour de l'axe de rotation (A).

Description

La présente invention concerne généralement des systèmes de turbine et de compresseur, et particulièrement la réduction de bruit de rotor. En particulier, l'invention concerne la réduction de bruit pour des rotors, des roues de compresseur et d'autres composants de turbomachine, y compris des rotors de compresseur et de roue pour des groupes auxiliaires de puissance ou APUs (« Auxiliary Power Units »). Des moteurs à turbine sont utilisés dans une large gamme d'applications y compris la production d'énergie électrique, l'aviation, et le chauffage et le refroidissement industriels. Le coeur de turbine est construit autour d'une section de compresseur en série fluidique avec une chambre de combustion et une section de turbine, avec une entrée en amont et un échappement en aval. La section de compresseur comprime de l'air à partir de l'entrée, qui est mélangé avec un combustible dans la chambre de combustion et allumé pour générer un gaz de combustion chaud. La section de turbine extrait de l'énergie à partir du gaz de combustion en expansion, qui est alors évacué à travers l'échappement. Une certaine partie de l'énergie est utilisée pour entraîner la section de compresseur, et l'excès est distribué sous forme de mouvement de rotation ou de poussée propulsive, ou une association de ceux-ci. Les sections de compresseur et de turbine comprennent chacune un nombre de profils de pales de rotor et d'aubes de stator, qui sont agencés dans une série d'étages alternés de pales et d'aubes. Dans des moteurs à grande échelle, deux, trois sections ou plus peuvent être agencées de façon coaxiale dans des corps 2 de haute pression, de basse pression et de pression intermédiaire, qui peuvent tourner à des vitesses différentes, et dans des directions différentes. Dans des turbines à gaz industrielles au sol, l'arbre d'entraînement ou de sortie est accouplé avec une charge externe telle qu'un générateur électrique, ou avec une pompe, une soufflante ou un autre appareil rotatif. Dans des applications d'aviation, le corps bas est accouplé avec une hélice (turbopropulseur) ou un ventilateur de propulsion (machines à turbo-ventilateurs), ou avec un rotor d'hélicoptère ou une voilure tournante (turbomoteurs). Suivant la configuration, l'accouplement peut comprendre une boîte à engrenages pour une commande de vitesse indépendante de l'arbre de ventilateur ou de sortie, par rapport au corps bas. Les groupes auxiliaires de puissance incorporent des moteurs à turbine à gaz d'échelle plus petite (typiquement à un corps), et sont utilisés pour générer de l'énergie électrique et faire fonctionner divers systèmes auxiliaires et accessoires. Dans des applications d'aviation, les APUs génèrent de l'énergie électrique et fournissent de l'air de cabine lorsque l'aéronef est au sol, et fournissent de l'air comprimé au système de prélèvement pour le démarrage de moteur principal. Suivant la configuration, les APUs peuvent également être utilisés en tant que sources de puissance en vol pour le conditionnement d'air et d'autres systèmes de commande de l'environnement, et fournir une puissance d'appoint indépendante ou 3 d'urgence pour des éléments hydrauliques, pneumatiques, électroniques aéronautiques et le pilotage. Dans chacune de ces applications, les rotors de compresseur et de turbine fonctionnent à grandes vitesses. Lorsque des parties des pales atteignent des vitesses transsoniques et supersoniques, elles génèrent des ondes de choc à la fréquence due aux sillages de pales (« Blade Passing Frequency » ou BPF), la fréquence de « son pur » à laquelle des pales individuelles passent par un point fixe donné dans l'espace. Par conséquent, les moteurs à turbine à gaz sont des sources de bruit complexes, et le rotor de compresseur est une source de bruit principale. Dans des APUs et d'autres applications de rotor de type roue, le bruit est dominé par un son pur associé essentiellement à la BPF, qui dépasse la partie de bruit à large bande du spectre acoustique. L'intensité de bruit est également une fonction d'interactions aéro-acoustiques-mécaniques entre les pales de rotor et le fluide moteur, de multiples sons se produisant à une harmonique de la fréquence d'arbre de moteur ou de l'ordre de moteur. L'énergie acoustique se déplace et se redistribue également pour s'éloigner de la BPF lorsque les fronts d'onde de choc se propagent pour s'éloigner du rotor et dans le champ éloigné, entraînant un spectre de bruit à sons multiples avec une caractéristique de son à « scie circulaire ». Un appareil de turbine comprend un rotor avec une section de moyeu et une pluralité de pales. La section de moyeu est définie autour d'un axe de rotation, et 4 est divisée en premier et second secteurs circonférentiels. Les pales sont fixées à la section de moyeu, s'étendant radialement vers l'extérieur. Des pales dans le premier secteur possèdent un premier espacement angulaire, et des pales dans le second secteur possèdent un second espacement angulaire. Le premier espacement angulaire est différent du second espacement angulaire, de sorte que les pales sont asymétriques autour de l'axe de rotation du rotor.

La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une turbomachine avec un espacement asymétrique de pales de rotor. La figure 2A est une vue en perspective d'un rotor avec un espacement asymétrique de pales, dans un mode 15 de réalisation à nombre pair de pales. La figure 2B est une vue en perspective d'un rotor avec un espacement asymétrique de pales, dans un mode de réalisation à nombre impair de pales. La figure 3 est un graphique de spectre de 20 fréquence pour un rotor de turbomachine. La figure 4A est un graphique de contour de champ de vitesses pour un rotor avec un espacement symétrique de pales. La figure 4B est un graphique de contour de champ 25 de vitesses pour un rotor avec un espacement asymétrique de pales. La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une turbomachine 10 avec un espacement asymétrique de pales de rotor. Dans ce mode de réalisation particulier, 30 une turbomachine 10 comprend un groupe auxiliaire de puissance avec une chambre d'entrée 12, un accouplement ou arbre à denture trapézoïdale 14, une roue de travail 16 et une roue de hauteur de charge 18. La roue de travail 16 et la roue de hauteur de charge 18 tournent conjointement autour d'un axe de turbine A, 5 accouplées par l'accouplement à denture trapézoïdale 14. La roue de travail 16 et la roue de hauteur de charge 18 comportent un espacement asymétrique de pales pour réduire des pulsations et vibrations de pression, augmentant la durée de vie et réduisant le profil de bruit ambiant de la turbomachine 10. La chambre d'entrée 12 se divise en une entrée de charge 20 pour la roue de travail 16 (sur la gauche sur la figure 1) et une entrée de hauteur de charge 22 pour la roue de hauteur de charge 18 (sur la droite, faisant face à la roue de travail 16). De l'air (ou un autre fluide compressible) est aspiré à travers l'entrée 20 de la roue de travail 16, qui comprime le fluide pour un système d'air de prélèvement ou un réservoir pneumatique, ou pour une autre alimentation en fluide comprimé. L'entrée 22 fournit de l'air à la roue de hauteur de charge 18, qui comprime l'air pour la section de chambre de combustion de la turbomachine 10. Un rotor de turbine extrait de l'énergie de rotation à partir du gaz de combustion en expansion, entraînant la roue de hauteur de charge 18 et la roue de travail 16 par l'intermédiaire de l'arbre 14. Suivant le mode de réalisation, l'arbre 14 est également accouplé avec une boîte à engrenages, un générateur ou un autre dispositif accessoire. 6 Les roues 16 et 18 tournent à grande vitesse, générant des ondes de choc à la fréquence due aux sillages de pales. Afin de réduire des vibrations et d'abaisser le profil de sortie de bruit de scie circulaire caractéristique, les rotors 16 et 18 possèdent un espacement asymétrique de pales. Ceci réduit l'énergie acoustique à la BPF, déplaçant l'énergie à d'autres ordres et fréquences de moteur. Dans des modes de réalisation à deux rotors, la roue de travail 16 et la roue de hauteur de charge 18 possèdent le même nombre de pales, et la roue de travail 16 est synchronisée ou tournée sur l'accouplement à denture trapézoïdale 14 par rapport à la roue de hauteur de charge 18. Par conséquent, les pales de roue de travail tournent de façon déphasée avec les pales de hauteur de charge, réduisant davantage les effets de bruit et de vibration tels qu'ils sont décrits ci-dessous. La figure 2A est une vue en perspective d'un rotor 30 pour une turbomachine, avec un espacement asymétrique de pales. Dans ce mode de réalisation particulier, le rotor 30 comprend une roue de travail ou roue de hauteur de charge pour un groupe auxiliaire de puissance. En variante, le rotor 30 comprend une roue, un rotor de compresseur ou un rotor de turbine pour un APU, un réacteur à double écoulement, un turbopropulseur ou turbomoteur, ou un autre composant de turbomachine à pales tel qu'un rotor pour une pompe, une soufflante ou une turbine.

Le rotor 30 comprend une section de moyeu tronconique 32 avec des pales principales (longues) 34 7 et des pales directrices (courtes) 36 en alternance. En variante, le rotor 30 est appelé tambour ou disque rotor, et la section de moyeu 32 peut posséder une forme généralement conique, cylindrique ou de tonneau.

Dans des modes de réalisation de roue et de compresseur, le rotor 30 est typiquement formé d'un métal léger et résistant, tel que du titane, ou un alliage similaire. Dans des modes de réalisation de turbine, le rotor 30 est formé de matériaux à haute température tels que du nickel, du cobalt et des alliages ou superalliages à base de fer. En variante, le rotor 30 est formé à partir d'une gamme d'autres matériaux, y compris de l'aluminium, du laiton et d'autres métaux, ou à partir de graphite, de polymères et de matériaux composites. Suivant le mode de réalisation, les pales 34 et les pales directrices 36 (si elles sont présentes) peuvent être formées de façon intégrée avec la section de moyeu 32, par exemple en moulant ou en usinant une pièce coulée ou forgée unique. En variante, les pales 34 et les pales directrices 36 sont formées séparément, et fixées à la section de moyeu 32 par soudage, ou en utilisant une fixation mécanique à l'emplanture.

Comme cela est représenté sur la figure 2A, le rotor 30 comprend un nombre pair de pales principales 34 et de pales directrices 36, par exemple seize. Les pales principales 34 sont espacées de façon circonférentielle autour du rotor 30, s'étendant radialement à partir de la section de moyeu 32 et 8 axialement le long de l'axe de rotation A. Les pales directrices 36 sont entre les pales principales 34. Les pales principales 34 sont divisées en un premier secteur de 180° 38A comprenant sept pales 34 avec un premier espacement entre pales S1 25,7°, et second secteur de 180° 38B comprenant neuf pales 34 avec un second espacement entre pales S2 20,0°. Le premier espacement de pales S1 est ainsi différent du second espacement de pales S2, afin de réduire des vibrations et d'abaisser le profil de bruit de scie circulaire en déplaçant l'énergie acoustique hors de la fréquence due aux sillages de pales. L'espacement de pales est une mesure angulaire, s'étendant de façon circonférentielle autour de l'axe A entre les centres ou milieux de pales principales adjacentes 34, à travers les pales directrices 36. En général, la séparation angulaire reste constante, alors que la distance de séparation réelle entre les pales 34 varie dans la direction radiale (à savoir, s'éloignant de la section de moyeu 32, perpendiculaire à l'axe de rotation). En variante, les espacements angulaires S1 et S2 diffèrent essentiellement dans les régions transsoniques et supersoniques des pales 34, où les ondes de choc se forment. Dans ces modes de réalisation, les espacements angulaires S1 et S2 sont définis à une hauteur d'envergure particulière, par exemple une hauteur d'envergure de 90 ou à l'embout de pale (hauteur d'envergure de 100 ô). Dans ces modes de réalisation, le rotor 30 et le 30 moyeu 32 sont divisés en deux secteurs circonférentiels égaux 38A et 38B, avec des nombres de pales différents N1 et N2. Chaque secteur occupe la moitié du cercle de rotor (à savoir, 180° en angle circonférentiel), correspondant à des espacements de pales S1 = 180°/Nl et S2 = 180°/N2, respectivement.

Pour des nombres pairs de pales N, le premier secteur 38A comprend N1 = N/2 - 1 ou moins de pales 34 (et pales directrices 36), et le second secteur 38B comprend N2 = N/2 + 1 ou plus de pales 34 (et pales directrices 36). L'espacement angulaire est défini pour chacune des paires de pales adjacentes dans les groupes correspondants de pales. Les pales à la périphérie de chaque secteur posséderont un espacement plus important sur un côté (par exemple, vers le secteur 38A), et un espacement de pales plus petit sur l'autre côté (par exemple, vers le secteur 38B).

Dans ces modes de réalisation à nombre pair de pales, les nombres de pales N1 et N2 dans les secteurs 38A et 38B diffèrent selon un nombre pair. Dans le mode de réalisation nominal ou de premier ordre, donc, N1 = N/2 - 1 et N2 = N/2 + 1, avec une différence de pale de N2 - N1 = 2. Dans ce mode de réalisation, l'espacement de pales est : 0 S1(pair) - 180 [ 1 ] N/2-1 0 S2(pair) - 180 [2] N/2+1

Dans d'autres modes de réalisation (à déplacement d'ordre plus élevé), les nombres de pales peuvent différer de quatre, six ou plus, et l'espacement de pales varie par conséquent. Il est également possible 30 de diviser des nombres pairs de pales et de pales et25 10 directrices en deux jeux égaux de N1 = N2 = N/2 pales chacun, et de définir des secteurs circonférentiels inégaux de tailles angulaires différentes. Dans ces modes de réalisation, un jeu de pales occupe plus de 180° de la circonférence de rotor et l'autre jeu de pales occupe moins de 180°, et l'espacement de pales varie par conséquent. Les pales directrices 36 sont également divisées en groupes 38A et 38B. Typiquement, l'espacement entre les pales 34 et les pales directrices 36 adjacentes est la moitié de l'espacement entre pales, donc l'espacement entre pales directrices dans chaque secteur est sensiblement égal aux espacements entre pales S1 et S2, respectivement. En variante, les pales directrices 36 sont déplacées par rapport aux pales 34, et l'espacement entre pales et l'espacement entre pales directrices varient. Un espacement asymétrique non uniforme de pales est contraire aux enseignements généraux et au sens commun dans l'art, à savoir que les pales et les pales directrices doivent être agencées symétriquement pour réduire le déséquilibre. En général, l'équilibre est maintenu en usinant ou fraisant la section de moyeu 32 pour compenser une redistribution de masse en raison des espacements de pales S1 et S2 différents. Du matériau peut être ajouté ou ôté, par exemple sur une plage d'équilibre ou un pourtour d'équilibre, ou le long de l'alésage de roue ou la face arrière de la partie tronconique de la section de moyeu 32. En variante, l'équilibre est maintenu en perçant ou en formant des orifices dans le rotor 30, en ajoutant ou 11 en réglant des poids d'équilibre, ou par l'intermédiaire de faux rond ou de décalage intentionnel ou en modifiant le diamètre primitif de denture trapézoïdale.

Alors que l'espacement angulaire entre les pales varie, cependant, les pales 34 peuvent être caractérisées par un profil géométrique sensiblement identique. En particulier, les pales 34 de la figure 2A possèdent toutes sensiblement la même matrice de masse et de raideur, fournissant sensiblement les mêmes valeurs propres, fréquences de vibrations naturelles et formes de mode correspondantes. Ceci est différent des techniques de déréglage de pales, dans lesquelles des pales individuelles possèdent des profils géométriques différents, des matrices de masse et de raideur différentes, et des valeurs propres et des fréquences naturelles différentes. La figure 2B est une vue en perspective d'une variante de rotor 30 pour une turbomachine, avec un espacement asymétrique de pales. Le rotor 30 comprend une section de moyeu 32, des pales principales 34 et des pales directrices 36. Pour des nombres impairs de pales N, comme cela est représenté sur la figure 2B, le premier secteur 38A comprend (N-1)/2 ou moins de pales 34 (et pales directrices 36), et le second secteur 38B comprend (N+l)/2 ou plus de pales 34 (et pales directrices 36). Dans ce cas, la différence de nombre de pales est impaire. Pour le cas nominal ou de premier ordre N1 = (N-1)/2 et N2 = (N1+1)/2 (à savoir, N2 - N1 = 1), l'espacement de pales correspondant est : 3600 S1(impair) = , [3] N-1 36001 S2(impair) =. [4] Dans un mode de réalisation particulier, le rotor 30 comprend quinze pales principales 34 et quinze pales directrices 36, comme cela est représenté sur la figure 2B. Le premier secteur 38A comprend sept pales 34 avec l'espacement angulaire S1 25,7°, et le second secteur 38B comprend huit pales 34 avec l'espacement angulaire S2 25,0°. Le premier espacement de pales S1 est ainsi supérieur au second espacement de pales S2, et les pales sont asymétriques autour de l'axe de rotor.

L'espacement asymétrique de pales réduit le niveau de vibrations de rotor et de pale en raison de l'accouplement aéromécanique, et abaisse l'intensité sonore et l'impact sur l'environnement du champ acoustique généré. En particulier, l'espacement asymétrique de pales réduit le bruit de fréquence de roue à la BPF en réduisant le tenseur de contrainte de turbulence de Lighthill, par rapport à un rotor avec une distribution symétrique du même nombre de pales. L'espacement asymétrique de pales réduit également l'amplitude d'oscillations de pression aérodynamique subies par les aubes de diffuseur, maintenant l'intégrité d'aube en réduisant des effets de résonance aux fréquences de vibrations naturelles. En particulier, l'espacement asymétrique de pales réduit l'amplitude d'excitations de pression par l'intermédiaire d'effets et 13 harmoniques, réduisant la vraisemblance de dégâts ou de pannes dus à la fatigue mégacyclique (« High Cycle Fatigue » ou HCF), qui peuvent se produire lorsque des contraintes cycliques dépassent les limites d'endurance du matériau d'aube. Les effets de vibration sont réduits davantage par synchronisation déphasée de multiples rotors, comme cela est décrit davantage ci-dessous. La figure 3 est un graphique de spectre de fréquence pour un rotor de turbine. La fréquence est donnée le long de l'axe horizontal, avec l'amplitude le long de la verticale, les deux en unités arbitraires. Les pics de fréquence sont indiqués par ordre de moteur (FO).

Les sources de vibrations de rotor peuvent être séparées en deux catégories ou types principaux : mécanique et aérodynamique. Les causes mécaniques sont connexes à des caractéristiques dynamiques du rotor, et sont influencées par un nombre de facteurs, y compris un déséquilibre, un désalignement de support de palier, un faux rond d'arbre, et des pièces endommagées ou en frottement. Les causes aérodynamiques sont connexes à des pulsations de pression à des multiples distincts de la fréquence de rotation de rotor et du nombre de pales (à savoir, des multiples de la BPF). Les sources aérodynamiques proviennent de perturbations générées par les pales 34, qui sont transmises au rotor 30. Dans le spectre de fréquence de rotor, le premier ordre de moteur (1EO) représente l'effet de déséquilibre de rotor. Les deuxièmes, troisièmes, quatrièmes, sixièmes, huitièmes et autres harmoniques sont dues à des facteurs mécaniques, comme cela est décrit ci-dessus. Un rotor ou une roue avec seize pales principales, par exemple, présentera des effets dynamiques caractérisés par les deuxième (2E0),

quatrième (4E0) et huitième (8E0) ordres de moteur, en raison des facteurs communs de deux, quatre et huit. Un rotor ou une roue avec quinze pales principales présentera des effets dynamiques caractérisés par les troisième (3E0) et cinquième (5E0) ordres de moteur, en

raison des facteurs communs de trois et cinq.

Le champ acoustique est décrit par une équation d'onde inhomogène, qui peut être dérivée à partir des équations de Navier-Stokes. En utilisant la notation d'Einstein : 2 at~ - co2V2p = ~ [5] où p est la densité d'air ou de fluide, co est la vitesse du bruit ambiant et Ti7 est le tenseur de contrainte de turbulence de Lighthill. La génération de

son (bruit) est attribuée au côté droit de cette équation.

Le tenseur de contrainte de turbulence de Lighthill est en outre défini par : 2 Tu = pu;uj - au + (p - co p)6a, avec des composantes de vitesse vi et vi, une contribution de contrainte visqueuse oij et une pression p. Le terme pviv est le tenseur de contrainte de Reynolds, représentant la convention irrégulière d'écoulement. Le tenseur de contrainte visqueuse oij

représente le bruit généré par cisaillement, et la [6] pression p est incorporée dans le terme acoustique ou sonore non linéaire (p-co2p), le delta de Kronecker 5i étant défini pour être un pour i = j et zéro pour i j. Les composants de turbine à pales génèrent des pulsations de pression avec une composante distincte forte à la fréquence due aux sillages de pales, par exemple à une BPF correspondant à 15E0 ou 16E0, suivant le nombre de pales. Pour un rotor comportant des caractéristiques dynamiques exprimées en harmoniques de l'ordre de moteur, l'amplitude de BPF influencera en général la stabilité de rotor. Dans un rotor avec un espacement asymétrique de pales, les caractéristiques de champ de pression périodiques et cycliques sont réduites par l'introduction de deux secteurs de pales comportant différents nombres de pales N1 et N2, avec différents espacements angulaires S1 et S2. La fonction de pression est exprimée en termes d'une série de Fourier dans la fréquence BPF : P(t)=Po+a~sin(lEOxt+al)+...+aNsin[(N)EOxt+aN)+... [7] Les coefficients an représentent les amplitudes relatives de la fonction sinusoïdale à chaque ordre de moteur, et à une phase relative an. L'indice n va de n = 1 pour le premier ordre de moteur 1EO, à des harmoniques d'ordre n = N et plus. Dans une configuration asymétrique à nombre impair avec N1 = (N-1)/2 pales à l'espacement S1 30 et N2 = (N+l)/2 pales à l'espacement S2, il y a des contributions importantes aux ordres de moteur 2Nl = N - 1 et 2N2 = N + 1 : P(t) = Po + b~ sin(lEO x t + /31) + ... + bN sin[(N -1)EO x t + NN-1] [ 8 ] + bN sin[(N)EO x t + NN ] + bN+1 sin[(N + 1)EO x t + NN+1] + ... En particulier, la configuration asymétrique possède les caractéristiques suivantes d'amplitude de pression aérodynamique : 1 aN 1(assymétrique) < 1 + £ bN ~ (symétrique) , [ 9A] (assymétrique) < 1 bN (symétrique) , [9B] 1+s 1 aN+1(assymétrique) < 1 + £ bN+1 (symétrique) . [9C] 15 La différence ou le coefficient de réduction d'amplitude (s) est environ trente pour cent (30 %) ou plus (à savoir, s ? 0,30). Inversement, donc, des amplitudes non modifiées (symétriques) bN-1, bN et bN+1 sont au moins supérieures de 30 ô à des amplitudes 20 modifiées (asymétriques) aN-1, aN et aN+1.

Pour le cas d'un rotor à quinze pales (quinze pales directrices) divisé en deux groupes de sept et huit pales, respectivement, secteur de sept pales génère un 25 BPF à l'ordre de moteur 14E0 (à second secteur de huit pales génère un signal de pression de BPF à l'ordre de moteur 16E0 (à savoir, 2 x 8). Ceci donne : 10 et signal de savoir, 2 ou secteurs le premier pression de x 7), et le a14 < 1 xb14, [10A] 1+s a15 < 1 x b15 , [10B] 1+s 1 a16 <1+£ Xb16 . [1OC] Le facteur de réduction est au moins 30 % dans ces ordres de moteur, comme cela est décrit ci-dessus. Pour des nombres pairs de pales N, le rotor est

10 divisé en un premier secteur avec N1 = N/2 - 1 pales à l'espacement S1, et un second secteur avec N2 = N/2 + 1 pales à l'espacement S2. Les contributions asymétriques apparaissent aux ordres de moteur (N-2)EO et (N+2)EO : P(t) = Po + bl sin(lEO x t + /31) + ... + bN 2 sin[(N -1)EO x t + NN2 ] + ... [11] + bN sin[(N)EO x t + NN ] + bN+2 sin[(N + 1)EO x t + PN+2 ] + ... La réduction d'amplitude est à nouveau au moins 30 donnant : 1 20 aN2 (asymétrique) < 1 + £ bN 2 (symétrique) , [12A] (assymétrique) < 1 bN (symétrique) , [ 12B]

1+s 1 et 15 et aN+z (asymétrique) < 1 + £ bN+2 (symétrique) . [12C] Pour un rotor à seize pales divisé en secteurs de sept et neuf pales, respectivement, le premier secteur génère une BPF d'excitation à l'ordre de moteur 14E0 (2 x 7 pales), et le second secteur génère une BPF d'excitation à l'ordre de moteur 18E0 (2 x 9 pales). Ainsi . a14 < 1 xbt4, [13A] 1+£ a16 < 1 xb16, [13B] 1+£ et 1 als<+sxblg. 1 [13C] Dans une turbomachine avec deux rotors ou plus, chaque rotor contribue à l'amplitude de pression totale. Pour faire tourner conjointement les roues de charge et de hauteur de charge comportant le même nombre de pales N, par exemple, le signal de pression nette est : P(t) = Po + et sin(lEO x t + /31) + ... + cN sin[(N)EO x t + NN ] + ... [14] + dl sin(lEO x t + yl) + ... + dN sin[(N)EO x t + yN ] + ...

L'ordre de moteur primaire (premier ordre de moteur) 1EO est défini par la fréquence due aux sillages de pales, qui dépend du nombre de pales N et de la fréquence angulaire w : 1EOBPF=Nw . [15] Pour l'espacement asymétrique de pales à des nombres impairs de pales N, des contributions harmoniques de « bande latérale » apparaissent à des ordres de moteur (N±1)EO. Pour des nombres pairs de 19 pales N, des contributions apparaissent à des ordres de moteur (N±2)EO. Des rotors compatibles en fréquence possèdent le même nombre de pales N, divisé en jeux similaires de pales N1 et N2 avec des espacements de pales similaires S1 et S2, donnant les mêmes fréquences d'excitation BPF. Afin de déplacer les deux contributions de façon déphasée, un rotor est synchronisé ou tourné selon un angle de 360°/2N autour de l'axe de moteur. Ceci donne : yn=/3n+7c. [16] En général, deux signaux de la même fréquence comportant la même amplitude se faisant face (ou présentant une contre-propagation) peuvent être annulés ou réduits à néant en les plaçant de façon déphasée (ou dans une interférence destructive). L'amplitude ou la quantité du déphasage est une fonction de longueur d'onde et de la distance entre des deux sources. Mécaniquement, le déphasage est accompli par l'intermédiaire de l'arbre ou de la tringlerie liant les deux roues à l'ensemble rotor. Pour des accouplements à denture trapézoïdale, par exemple, les structures de « dents » trapézoïdales (crans ou encoches) sont typiquement alignées à chaque extrémité, et le décalage annulaire est accompli en faisant tourner un des rotors de roue par rapport aux dents. Dans un mode de réalisation particulier, l'accouplement à denture trapézoïdale comporte 2N encoches ou dents trapézoïdales (à savoir, deux fois le nombre de pales). Dans ce mode de réalisation, une des roues est tournée d'une dent ou encoche, produisant un 20 décalage angulaire de 360°/2N pour générer le déphasage requis. En variante, la roue est tournée selon un nombre impair de dents. En principe, des rotors à charges égales posséderont des coefficients d'amplitude sensiblement similaires en et dn, et le champ de pression nette peut se rapprocher de zéro à certains points. En pratique, cependant, les rotors ne sont pas toujours de la même taille, et ne subissent pas le même chargement, donc les amplitudes sont différentes. En outre, le déphasage relatif varie par emplacement, générant un motif d'onde stationnaire dans (au moins) les champs proches et intermédiaires. Ces effets sont abordés en réglant l'espace libre d'embout, l'excentricité de carter, le faux rond de rotor et la raideur de pale pour produire des rotors avec une impédance sensiblement équivalente. Ceci minimise davantage le signal de pression nette, y compris la région de champ éloigné où les effets sur l'environnement sont un problème. La figure 4A est un graphique de champ de vitesse pour le rotor 30 avec un espacement symétrique des pales 34 et pales directrices 36 autour du moyeu 32, et la figure 4B est un graphique pour un espacement asymétrique. Les deux graphiques sont pris à une envergure de pale de 95 les contours de Mach étant représentés en unités arbitraires. Des zones de séparation d'écoulement FZ correspondent à de faibles nombres de Mach d'environ M 0,30 ou M 0,15, et sont associées à une intensité de source acoustique. En comparant la figure 4A à la

figure 4B, la séparation d'écoulement pour l'espacement asymétrique de pales (figure 4B) est inférieure à celle pour le cas symétrique (figure 4A), et la taille des zones de séparation d'écoulement FZ est réduite. Ainsi, pour le même nombre de pales, l'espacement asymétrique de pales (figure 4B) provoque une intensité sonore relativement inférieure à celle de l'espacement symétrique de pales (figure 4A). Bien que la présente invention ait été décrite en référence à des exemples de modes de réalisation, l'homme du métier comprendra que divers changements peuvent être apportés et des équivalents peuvent remplacer des éléments de celle-ci sans s'éloigner de l'esprit et de la portée de l'invention. En outre, des modifications peuvent être apportées pour adapter une situation particulière ou un matériau particulier aux enseignements de l'invention, sans s'éloigner de la portée essentielle de celle-ci. Donc, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers décrits dans les présentes.

Claims

REVENDICATIONS1. Appareil de turbine, comprenant : un rotor (30) comportant un moyeu (32) défini autour d'un axe de rotation (A), le moyeu (32) comportant des premier et second secteurs circonférentiels (38A, 38B) ; et une pluralité de pales fixées au moyeu (32) et s'étendant radialement à partir de celui-ci, la pluralité de pales comprenant un premier groupe de pales comportant un premier espacement angulaire (Sl) dans le premier secteur (38A) et un second groupe de pales comportant un second espacement angulaire (S2) dans le second secteur (38B) ; dans lequel le premier espacement angulaire (Sl) est différent du second espacement angulaire (S2), et les pales de rotor sont asymétriques autour de l'axe de rotation (A).
2. Appareil de turbine selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de pales comprend un nombre impair N de pales, le premier groupe de pales comprenant (N-1)/2 des N pales et le second groupe de pales comprenant (N+1)/2 des N pales.
3. Appareil de turbine selon la revendication 2, dans lequel le premier espacement angulaire (Sl) est approximativement 360°/(N-1) et le second espacement angulaire (S2) est approximativement 360°/(N+1).
4. Appareil de turbine selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de pales comprend un nombre pair N de pales, le premier groupe de pales comprenant 23 N/2-1 des N pales et le second groupe de pales comprenant N/2+1 des N pales.
5. Appareil de turbine selon la revendication 4, dans lequel le premier espacement angulaire (Sl) est approximativement 180°/(N/2-1) et le second espacement angulaire (S2) est approximativement 180°/(N/2+1).
6. Appareil de turbine selon la revendication 1, comprenant en outre une pluralité de pales directrices (36) fixées à la section de moyeu (32) et disposées entre la pluralité de pales.
7. Appareil de turbine selon la revendication 6, dans lequel la pluralité de pales directrices (36) comprend un premier groupe de pales directrices comportant le premier espacement angulaire (Sl) dans la première section circonférentielle et un second jeu de pales directrices comportant le second espacement angulaire (S2) dans la seconde section circonférentielle.
8. Appareil de turbine selon la revendication 1, dans lequel le rotor (30) comprend une roue et comprenant en outre un rotor de compresseur accouplé de façon rotative avec la roue, le rotor de compresseur comprenant : un moyeu de compresseur défini autour de l'axe de 25 rotation, le moyeu de compresseur comportant des premier et second secteurs circonférentiels ; une seconde pluralité de pales fixées au second moyeu et s'étendant radialement à partir de celui-ci, la seconde pluralité de pales comprenant un premier 30 groupe de pales comportant le premier espacement angulaire (Sl) dans le premier secteur du second moyeu 24 et un second groupe de pales comportant le second espacement angulaire dans le second secteur du second moyeu.
9. Groupe auxiliaire de puissance comprenant l'appareil de turbine selon la revendication 8, et comprenant en outre un accouplement à denture trapézoïdale (14) pour accoupler de façon rotative le second rotor avec le premier rotor.
10. Groupe auxiliaire de puissance comprenant l'appareil de turbine selon la revendication 8, dans lequel le premier rotor est synchronisé par rapport au second rotor de sorte que la première pluralité de pales est déphasée par rapport à la seconde pluralité de pales.
11. Roue, comprenant : une section de moyeu définie autour d'un axe de rotation, la section de moyeu comprenant des premier et second secteurs circonférentiels ; un premier jeu de pales s'étendant radialement à partir du premier secteur de la section de moyeu, le premier jeu de pales comportant un premier espacement angulaire ; et un deuxième jeu de pales s'étendant radialement à partir du second secteur de la section de moyeu, le deuxième jeu de pales comportant un second espacement angulaire ; dans laquelle le premier espacement angulaire est différent du second espacement angulaire, de sorte que les premier et deuxième jeux de pales soient asymétriques autour de l'axe de rotation. 25
12. Roue selon la revendication 11, dans laquelle le premier jeu de pales comprend un nombre impair de pales N1 et le premier espacement angulaire est environ 180°/Nl.
13. Roue selon la revendication 12, dans laquelle le deuxième jeu de pales comprend un nombre pair de pales N1+1 et le second espacement angulaire est environ 180°/(Nl+l).
14. Roue selon la revendication 12, dans laquelle le deuxième jeu de pales comprend un nombre impair de pales N1+2 et le second espacement angulaire est environ 180°/(N1+2).
15. Groupe auxiliaire de puissance comprenant la roue selon la revendication 11.
16. Groupe auxiliaire de puissance selon la revendication 15, comprenant en outre un rotor de compresseur accouplé de façon rotative avec la roue, le rotor de compresseur comprenant : un moyeu de compresseur défini autour de l'axe de 20 rotation, le moyeu de compresseur comprenant des premier et second secteurs circonférentiels ; un troisième jeu de pales s'étendant radialement à partir du premier secteur du moyeu de compresseur, le troisième jeu de pales comportant le premier espacement 25 angulaire ; un quatrième jeu de pales s'étendant radialement à partir du second secteur du moyeu de compresseur, le quatrième jeu de pales comportant le second espacement angulaire. 30
17. Turbomachine (10), comprenant : 26 une roue de travail (20) divisée de façon circonférentielle en premier et second secteurs (38A, 38B), le premier secteur (38A) de la roue de travail (20) comportant un jeu de pales avec un premier espacement angulaire (Sl) et le second secteur (38B) de la roue de travail (20) comportant un jeu de pales avec un second espacement angulaire (S2) ; une roue de hauteur de charge (18) divisée de façon circonférentielle en premier et second secteurs (38A, 38B), le premier secteur (38A) de la roue de hauteur de charge (18) comportant un jeu de pales avec le premier espacement angulaire (Sl) et le second secteur (38B) de la roue de hauteur de charge (18) comportant un jeu de pales avec le second espacement angulaire (S2) ; et un accouplement rotatif (14) entre la roue de travail (20) et la roue de hauteur de charge (18), l'accouplement définissant un axe de rotation (A) ; dans laquelle le premier espacement angulaire (Sl) et le second espacement angulaire (S2) sont différents, de sorte que la roue de travail (20) et la roue de hauteur de charge (18) sont asymétriques autour de l'axe de rotation (A).
18. Turbomachine (10) selon la revendication 17, dans laquelle la roue de travail (20) est synchronisée autour de l'axe de rotation (A) par rapport à la roue de hauteur de charge (18), de sorte que la roue de travail (20) est déphasée en rotation par rapport à la roue de hauteur de charge (18).
19. Turbomachine (10) selon la revendication 17, dans laquelle la roue de travail (20) et la roue de 27 hauteur de charge (18) comprennent chacune un nombre impair égal de pales N, et dans laquelle le premier espacement angulaire (Sl) est environ 360°/(N-1) et le second espacement angulaire (S2) est environ 360°/(N+1).
20. Turbomachine (10) selon la revendication 17, dans laquelle la roue de travail (20) et la roue de hauteur de charge (18) comprennent chacune un nombre pair égal de pales N, et dans laquelle le premier espacement angulaire (Sl) est environ 180°/(N/2-1) et le second espacement angulaire (S2) est environ 180°/(N/2+1).