FR3046196B1 - Distributeur de turbine de turbomachine - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un Distributeur de turbine de turbomachine comportant une pluralité d'aubes réparties de façon circonférentielle et définissant entre eux des canaux de guidage et d'accélération de fluide, caractérisé en ce que au moins deux canaux successifs comportent des sections d'écoulement qui accélèrent le fluide de façon décalée, le décalage entre les accélérations dans les canaux étant tels que les ondes acoustiques indirectes générées dans lesdits canaux par les fluctuations de la température du fluide de type entropique sont déphasées et se compensent au moins partiellement, voire s'annulent.
Description
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR
La présente invention est relative aux distributeurs de turbine de turbomachines.
Plus particulièrement, elle concerne la réduction des émissions sonores des turbomachines et en particulier des moteurs aéronautiques.
Une part non-négligeable des émissions sonores des moteurs aéronautiques provient de la chambre de combustion (~20% au décollage sur les moteurs de type CFM, par exemple).
Le bruit de combustion est généré principalement par deux mécanismes.
D'une part, l'expansion des gaz lors d'une combustion instationnaire génère directement des ondes acoustiques dans la chambre de combustion. Ces ondes acoustiques se propagent à la vitesse du son et de l'écoulement à travers la turbine haute pression et basse pression pour s'ajouter aux autres sources de bruit. Ce mécanisme est appelé « direct ».
D'autre part, la chambre de combustion génère des fluctuations de température qui sont convectées par l'écoulement en aval de la chambre de combustion (ondes entropiques). Ces fluctuations de température ou ondes entropiques ne génèrent pas de bruit tant qu'elles sont convectées à vitesse constante, et génèrent des ondes acoustiques lorsqu'elles sont accélérées dans la turbine.
Ce mécanisme indirect est illustré sur les figures la, lb, ainsi que 2a et 2b sur lesquelles on a représenté à deux instants différents l'état d'une fluctuation de température (figures la et 2a) qui se propage dans une tuyère 1 avec le fluide transporté par celui-ci, ainsi que l'état de l'éventuelle fluctuation de pression dans le conduit 1 à ces deux instants (figures lb et 2b). La tuyère 1 présente un rétrécissement 2 au passage duquel le fluide est accéléré. Tant que la fluctuation de température se propage à section constante (figure la), aucune fluctuation de pression n'est générée dans le conduit (figure lb). Par contre, le passage du rétrécissement 2 par la fluctuation de température (figure 2a) génère une fluctuation de pression (figure 2b) et donc un bruit de combustion indirect.
Pour une présentation générale de ces mécanismes, on pourra avantageusement se référer aux articles suivants :
Comparison of Direct and Indirect Combustion Noise Mechanisms in a Model Combustor, AIAA Journal, Vol. 47, No. 11 (2009), pp. 2709-2716, M. Leyko, F. Nicoud, and T. Poinsot.
Numerical and analytical modelling of entropy noise in a supersonic nozzle with a shock”, Journal of Sound and Vibration, Volume 330, Issue 16, 1 August 2011, Pages 3944-3958, M. Leyko,
S. Moreau, F. Nicoud, T. Poinsot.
Il a été montré que le bruit de combustion d'origine indirect peut être jusqu'à 10 fois plus important que le bruit d'origine direct.
Un but général de l'invention est donc de proposer une solution pour réduire le bruit d'origine indirect.
Il est connu du document US3572962A un distributeur (stator) de compresseur dans lequel une aube de stator présente des zones (4,5,6) décalées entre elles dans la direction circonférentielle, de façon à ce que l'air du sillage d'une aube de rotor impacte deux zones (4+6, 5, ou encore 35, 36) de même aire à des instants décalés de façon à ce que les ondes acoustiques produites au niveau de l'aube de stator se divisent en deux moitiés déphasées. Le décalage circonférentiel des zones de l'aube est dimensionné pour que le déphasage des ondes acoustiques produise une interférence destructrice de la fréquence fondamentale.
Ce document ne s'intéresse toutefois aucunement à la problématique du bruit indirect dû aux ondes entropiques.
PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION
L'invention propose une solution permettant de réduire le bruit indirect généré par les fluctuations de température lors des accélérations du fluide.
Elle propose notamment un distributeur de turbine de turbomachine comportant une pluralité d'aubes réparties de façon circonférentielle et définissant entre elles des canaux de guidage et d'accélération de fluide, caractérisé en ce que au moins deux canaux successifs comportent des sections d'écoulement qui accélèrent le fluide de façon décalée, le décalage entre les accélérations dans les canaux étant tels que les ondes acoustiques indirectes générées dans lesdits canaux par des fluctuations de la température du fluide de type entropique sont déphasées et se compensent au moins partiellement, voire s'annulent.
Dans un mode de réalisation notamment, il comporte une succession de plusieurs canaux de différents types qui se répète à la circonférence du distributeur, la loi des aires le long d'un canal d'un type donné étant distincte de celle le long d'un canal d'un autre type, de telle sorte que l'accélération de fluide dans un canal de type donné est décalée par rapport à l'accélération de fluide dans un canal d'un autre type. Le nombre de type de canaux peut être au moins deux.
La succession de canaux de différents types peut être répétée en fonction du contenu fréquentiel en sortie de la chambre de combustion et du nombre global d'aubes du distributeur, notamment pour chaque secteur angulaire d'injecteur.
Les aubes peuvent être fixes ou de type orientables.
Dans un mode de réalisation encore, au moins une aube comporte un orifice d'injection d'air permettant de dissymétriser le champ moyen d'écoulement dans un canal.
L'injection d'air peut être commandable.
L'invention concerne également un ensemble comportant au moins un secteur de chambre de combustion, au moins un injecteur et au moins deux canaux de différents types pour un distributeur du type précité.
Elle concerne en outre une turbomachine et en particulier un turbomoteur pour aéronef comportant un distributeur conforme à l'invention.
PRÉSENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
• la figure la - déjà discutée - illustre l'état d'une fluctuation de température qui se propage dans un conduit avant passage d'un rétrécissement d'accélération ;
• la figure lb - également déjà discutée - illustre l'état de la fluctuation de pression au même instant ;
• les figures 2a et 2b - également déjà discutées - illustrent l'état de la fluctuation de température après passage du rétrécissement d'accélération et l'état de la fluctuation de pression au même instant ;
• la figure 3a illustre schématiquement un exemple de mode de réalisation pour un distributeur de turbomachine conforme à l'invention ;
• la figure 3b illustre schématiquement les lois des aires le long des canaux A et B du distributeur de la figure 3a ;
• la figure 3c illustre la génération d'ondes acoustiques en opposition de phase en sortie desdits canaux ;
• la figure 4 illustre un secteur de chambre de combustion pour une turbomachine à distributeur du type de celui illustré sur la figure 3a ;
• la figure 5 illustre schématiquement un autre mode de réalisation possible.
DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE ET DE RÉALISATION
On a représenté sur la figure 3a trois aubes Al, A2, A3 qui appartiennent à un aubage E d'un distributeur D de turbine de turbomachine. Les différentes aubes de cet aubage E sont réparties autour de l'axe du distributeur D et définissent ensemble une pluralité de canaux successifs qui sont répartis autour de l'axe de la turbine et dans lesquels le fluide est accéléré.
Dans l'exemple illustré sur la figure 3a, les aubes Al, A2, A3 - et plus généralement les différentes aubes de l'aubage E - sont de deux types répartis alternativement tout autour du distributeur D, deux aubes successives autour du distributeur D ayant des profilés correspondant respectivement l'un au premier type d'aubage, l'autre au second. De cette façon, la loi des aires de deux canaux adjacents du distributeur est différente, les canaux répartis autour de l'axe présentant alternativement une loi des aires d'un premier type (canal A) ou d'un second type (canal B).
Plus précisément, les profilés des différents types d'aubes et la loi des aires le long des différents types de canaux sont choisis pour que les ondes entropiques, provenant de fluctuations de la température du fluide convectées par l'écoulement en aval de la chambre de combustion, soient accélérées de manière décalée dans les différents types de canaux, et pour que les ondes acoustiques indirectes qui sont générées dans ceux-ci le soient avec des composantes tendant à se compenser.
Ainsi, dans l'exemple illustré sur les figures 3a, 3b et 3c, la loi des aires le long d'un canal de type A et celle le long d'un canal de type B, sont telles que pour toute paire de canaux adjacents, les zones de rétrécissements (et donc celles des accélérations de vitesse pour le fluide) dans un canal sont décalées par rapport aux zones de rétrécissements dans un canal adjacent, le long des canaux.
La réalisation des deux types de canaux peut être obtenue par une alternance de deux types d'aubes présentant des profilés différents.
Comme illustré très schématiquement sur la figure 3a, où seuls trois aubes successives sont représentées, les aubes Al et A3 ont des profilés identiques, d'un premier type. L'aube A2 disposée entre les aubes Al et A3 présente un profilé différent, d'un deuxième type, ce qui implique que deux canaux adjacents ont des formes (profils) différentes. Ces formes différentes sont conformées pour créer les zones de rétrécissements décalées de façon adéquate d'un canal à l'autre.
Il est entendu que chaque aube Al ou A3 est disposée entre l'aube A2 et une aube (non représentée) de profilé identique à celui de l'aube A2, de façon à réaliser une alternance de canaux de types A et B.
Lorsque le distributeur D reçoit une onde entropique plane Ws(x), le canal A accélère le fluide par exemple en avance par rapport au canal B. L'onde acoustique indirecte due à l'onde entropique et générée au moment de l'accélération dans le canal B arrive donc en retard par rapport à celle du canal A.
Les profilés des différents types d'aubes sont choisis pour que ce retard permette pour certaines fréquences acoustiques une compensation au moins partielle, voire une annulation, des ondes acoustiques indirectes entre elles.
On joue à cet effet sur les formes de leurs bords d'attaque, ainsi que sur celles de leurs intrados et extrados, pour obtenir des profilés différents d'un type d'aubes à un autre.
Par exemple, le retard est choisi pour correspondre à une demipériode de l'onde. Les ondes acoustiques générées par les ondes entropiques étant en opposition de phase à la sortie du distributeur D, ces ondes acoustiques s'annulent alors.
Un ou plusieurs décalages peuvent être produits dans le distributeur, pour atténuer une ou plusieurs fréquences.
On notera que des combinaisons utilisant un nombre de type de canaux jusqu'à la moitié du nombre total d'aubes peuvent être envisagées à cet effet pour atténuer un maximum de fréquences.
La solution proposée est avantageusement utilisée dans le cas d'un distributeur en sortie de chambre de combustion.
Par exemple, dans le cas d'une chambre de combustion comportant dix-huit injecteurs répartis en dix-huit secteurs, la température de la chambre de combustion présente une fluctuation qui se répète sensiblement tous les l/18iemes de circonférence.
La distribution des différents types de canaux permettant une compensation ou atténuation des ondes acoustiques générées par les fluctuations entropiques est répétée pour chaque secteur. Chaque secteur comporte deux, voire trois types de canaux dont les lois des aires sont différentes et sont choisies pour permettre cette compensation ou atténuation.
C'est ce qu'illustre la figure 4 sur laquelle on a représenté un secteur de chambre de combustion S qui comporte un injecteur I. Deux aubes d'un distributeur D sont disposées à la sortie de ce secteur de chambre de combustion. Ces deux aubes définissent ensemble, ainsi qu'avec les aubes des secteurs adjacents avec lesquels ledit secteur est destiné à être associé, une alternance de canaux de types A et B.
Par ailleurs, les aubes du distributeur D peuvent être des aubes fixes.
Les aubes peuvent également être orientables afin de régler le débit.
L'effet recherché peut être également atteint par un décalage axial d'aubes.
En variante encore, voire en complément de modes de réalisation du type de celui de la figure 3a, le décalage entre les ondes entropiques peut être réalisé par d'autres moyens qu'en jouant sur la géométrie des aubes.
Par exemple, ainsi que l'illustre la figure 5, il peut être prévu par exemple au niveau des bords d'attaque des aubes des orifices Ol d'injection d'air permettant de souffler vers l'intérieur du canal de l'air provenant de conduits intérieurs aux aubes. On dispose ainsi d'un dispositif commandable permettant, par injection d'air, de dissymétriser le champ moyen d'écoulement, afin de provoquer l'accélération souhaitée.
Ces orifices Ol d'injection d'air peuvent être eux-mêmes commandables en débit et en orientation pour permettre un contrôle du déphasage réalisé.
Une telle solution est particulièrement intéressante car elle permet de désactiver le système d'atténuation de bruit durant les phases qui ne le nécessitent pas (croisière) et de garder un écoulement circonférentiellement uniforme pour préserver la durée de vie de la turbine.
En variante encore, il peut être prévu qu'une aube comporte un dispositif commandable de modification de la géométrie de l'écoulement qui comprend au moins un composant électrique actif du type NRP (ou « Nanosecond Repetitively Pulsed » selon la terminologie anglosaxonne généralement utilisée).
Les techniques NRP sont classiquement connues et utilisées pour obtenir des effets hydrodynamiques et contrôler des écoulements.
On pourra avantageusement se référer à cet effet à l'ouvrage :
« Low Temperature Plasma Technology - Methods and Applications »
- Paul K. Chu - XienPei Lu - CRC Press - pages 139 et suivantes.
Le ou les composants électriques actifs NRP de l'aube (électrodes) génèrent localement des décharges électriques nano-seconde qui dévient 10 localement l'écoulement en le repoussant d'une zone dans laquelle se produisent les décharges, cette zone étant adjacente à une paroi d'une aube. En repoussant localement l'écoulement, ces composants électriques agissent sur la loi des aires de la même façon que si un renflement avait été créé sur la forme de l'aube.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Distributeur de turbine de turbomachine comportant une pluralité d'aubes réparties de façon circonférentielle et définissant entre elles des canaux de guidage et d'accélération de fluide, caractérisé en ce que au moins trois canaux successifs présentent des lois des aires différentes et comportent des sections d'écoulement qui accélèrent le fluide de façon décalée, le décalage entre les accélérations dans les canaux étant tels que les ondes acoustiques indirectes générées dans lesdits canaux par des fluctuations de la température du fluide de type entropique sont déphasées et se compensent au moins partiellement, voire s'annulent.
- 2. Distributeur de turbine de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une succession d'au moins trois canaux d'au moins trois différents types qui se répète à la circonférence du distributeur, la loi des aires le long d'un canal d'un type donné étant distincte de celle le long d'un canal d'un autre type de telle sorte que l'accélération de fluide dans un canal de type donné est décalée par rapport à l'accélération de fluide dans un canal d'un autre type.
- 3. Distributeur de turbine de turbomachine selon la revendication 2, caractérisé en ce que la succession de trois canaux de différents types est répétée pour chaque secteur angulaire d'injecteur.
- 4. Distributeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les aubes sont fixes.
- 5. Distributeur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les aubes sont de type orientables.
- 6. Distributeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une aube comporte un dispositif commandable de modification de la géométrie de l'écoulement permettant de dissymétriser le champ moyen d'écoulement dans un canal.
- 7. Distributeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif commandable comprend au moins un orifice d'injection5 d'air.
- 8. Distributeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif commandable comprend au moins un composant électrique actif du type N RP.
- 9. Ensemble comportant au moins un secteur de chambre de
- 10 combustion, au moins un injecteur et au moins trois canaux d'au moins trois types pour un distributeur selon la revendication 2, prise seule ou en combinaison avec l'une des revendications 3 à 8.10. Turbomachine, et en particulier turbomoteur pour aéronef,
- 15 comportant un distributeur selon l'une des revendications 1 à 8.
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