FR2681099A1 - Montage d'une soufflante a faible bruit. - Google Patents

Abstract

Un ensemble formant soufflante pour un moteur (10) à turbine à gaz tel qu'une soufflante ou un compresseur comporte une pluralité d'ailettes (14) de rotor placées à une certaine distance axiale (S) d'une pluralité d'aubes (46) de stator à l'intérieur d'un conduit annulaire (44). Le nombre d'aubes est choisi pour un nombre prédéterminé d'ailettes de façon à obtenir des valeurs sensiblement égales du rapport de coupure pour au moins deux harmoniques de la fréquence de passage d'ailettes de façon à réduire le bruit en mode tournant émis par le conduit.

Description

"Montaqe d'une hélice à faible bruit" La présente invention concerne en

général des moteurs à turbine à gaz, et, plus spécifiquement, des soufflantes et des compresseurs améliorés faisant moins de bruit. Un moteur à turbine à gaz tel qu'un moteur à soufflante carénée ou un turboréacteur propulsant un avion dans les phases de décollage, d'approche et d'atterrissage produit du bruit à cause de l'air qui y est compressé et à

cause de l'air et des gaz de combustion qui en sont expulsés.

Les soufflantes et les compresseurs comportent au moins une rangée de plusieurs ailettes de rotor réparties sur la circonférence pour comprimer l'air qui y est canalisé, suivie

par une rangée d'aubes de stator réparties sur la circonfé-

rence Les ailettes de rotor tournent autour d'un axe longitudinal central du moteur à la vitesse de rotation N et donnent une fréquence de passage de l'ailette (BPF) qui est le produit de la vitesse de rotation N par le nombre B d'ailettes de rotor L'air canalisé entre les ailettes et les aubes, et à l'intérieur du conduit entourant les ailettes et les aubes, génère traditionnellement des bruits ou des sons connus en mode tournant à fréquence discrète à l'intérieur du tuyau. On sait traditionnellement que le bruit en mode tournant inclut des champs de pressions tournants provoqués à la fois par la rotation des ailettes de rotor elles-mêmes et par l'interaction des ailettes de rotor avec les aubes de stator adjacentes Les sons en mode tournant sont expulsés du moteur soit en amont par l'intermédiaire de l'entrée du conduit, soit en aval par l'intermédiaire de la sortie du conduit, soit les deux, et sont rayonnés vers le sol au moment du décollage ou de l'atterrissage d'un avion propulsé par le moteur Les sons en mode tournant se produisent à des fréquences discrètes incluant la fréquence fondamentale de passage d'ailettes BPF, que l'on appelera ici premier harmonique, et des fréquences d'ordre supérieur, comportant

les second, troisième harmoniques, et au-delà.

Pour réduire les bruits en mode tournant, lors du décollage ou de l'approche par exemple, on sait qu'il faut choisir sélectivement le nombre d'aubes par rapport au nombre d'ailettes, qu'il faut de préférence espacer les aubes des

ailettes, et qu'il faut installer des doublures de suppres-

sion de bruit tout le long de la paroi interne du conduit entourant les aubes et les ailettes Ces solutions diminuent

l'amplitude des bruits en mode tournant soit à leur commence-

ment, soit après qu'elles aient été créées, grâce à une absorption appropriée dans la doublure de suppression Pour réduire le bruit à sa source, un paramètre de coupure traditionnellement connu, ou rapport, est utilisé, paramètre dont les valeurs inférieures à 1,0 vont provoquer une diminution du bruit, et les valeurs supérieures ou égales à 1 vont provoquer une propagation du bruit sur la longueur du conduit avec une intensité sensiblement non diminuée, bruit qui va ensuite rayonner du conduit dans l'air ambiant et vers

le sol résultant en un bruit pour le voisinage.

Pour s'assurer que le bruit en mode tournant diminue, il est traditionnel de choisir le nombre d'aubes V supérieur ou égal à deux fois le produit du nombre d'ailettes B par le nombre (n) d'harmoniques de la fréquence de passage d'ailettes Par exemple, pour assurer la diminution du son en mode tournant associé à la fréquence fondamentale du passage d'ailettes BPF, c'est-à-dire pour le nombre harmonique n=l, le nombre d'aubes V doit être plus grand ou égal au double du nombre d'ailettes B Pour assurer une diminution du son en mode tournant pour les première et deuxième harmoniques, le nombre d'aubes V doit être plus grand ou égal à 4 fois le nombre d'ailettes B. Toutefois, pour des moteurs à soufflante carénée

modernes à fort flux dérivé nécessitant un nombre relative-

ment élevé d'ailettes de rotor, le nombre résultant d'aubes de stator devient beaucoup trop élevé Par conséquent, une pratique traditionnelle est de choisir le nombre d'aubes de

stator propre à supprimer le bruit en mode tournant fondamen-

tal à la fréquence fondamentale de passage d'ailettes BPF seulement Bien que le niveau de bruit BPF soit diminué, les

niveaux de bruit des harmoniques plus élevés reste relative-

ment haut et les doublures de suppression de bruit tradition-

nelles sont moins efficaces pour atténuer ces sons parce que leur énergie est dirigée principalement suivant l'axe

longitudinal du moteur.

Par conséquent, un objet de la présente invention

est de proposer un ensemble de soufflante nouveau et amélio-

ré, efficace pour réduire les niveaux de bruit en mode tournant pour des harmoniques supérieurs à la fréquence

fondamentale du passage d'ailettes.

Un autre objet de la présente invention est de proposer un ensemble amélioré de soufflante efficace pour réduire le bruit en mode tournant sans augmenter de façon significative le nombre d'aubes de stator par rapport au

nombre d'ailettes de rotor.

Un autre objet de la présente invention est de proposer un ensemble nouveau et amélioré de soufflante ayant un rapport optimal entre le nombre d'aubes de stator et

d'ailettes de rotor pour réduire le bruit en mode tournant.

Un ensemble de rotor pour moteur à turbine à gaz comme une soufflante ou un compresseur inclut une pluralité d'ailettes de rotor espacées axialement d'une pluralité d'aubes de stator à l'intérieur d'un conduit annulaire Le nombre d'aubes est choisi pour un nombre prédéterminé d'ailettes de façon à obtenir des valeurs sensiblement égales du rapport de coupure pour au moins deux harmoniques de la fréquence de passage d'ailettes de façon à réduire le bruit

en mode tournant émis par le tuyau.

La présente invention, ses objets et avantages,

apparaîtront plus clairement au vu de la description du mode

de réalisation préféré, en liaison avec les dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique, en

section longitudinale, d'un moteur à turbine à gaz à souf-

flante carénée et à fort flux dérivé comportant une construc-

tion de soufflante suivant un premier mode de réalisation de la présente invention; la figure 2 est une vue en section radiale d'une partie de la construction de soufflante illustrée à la figure 1, suivant la ligne 2-2; la figure 3 est un graphique représentant le rapport de coupure K en fonction du nombre d'aubes V pour six harmoniques en mode tournant correspondant à 34 ailettes de rotor; la figure 4 est un graphique traçant le rapport de coupure K en fonction du nombre V pour six harmoniques en

mode tournant correspondant à 22 ailettes de rotor.

La figure 1 montre un exemple d'un moteur à turbine à gaz 10, tel qu'un moteur à soufflante carénée et à fort

flux dérivé, permettant de propulser un avion (non représen-

té) en vol lors du décollage, de la navigation, de l'appro-

che, et de l'atterrissage Le moteur 10 comporte en série pour l'écoulement du flux le long d'un axe 12 longitudinal central une soufflante comportant une pluralité de pales espacées sur sa circonférence ou ailettes de rotor 14, un compresseur basse pression classique 16 (LPC), un compresseur haute pression classique 18 (HPC), une chambre de combustion annulaire classique 20, une turbine haute pression classique

22 (HPT), et une turbine basse pression classique 24 (LPT).

La turbine basse pression 24 est reliée fixement à la fois au compresseur basse pression 16 et aux ailettes de soufflante 14 par un premier arbre de rotor 26, et la turbine haute pression 22 est reliée fixement au compresseur haute pression 18 par un deuxième arbre de rotor 28 Un moyen 30 d'injection de combustible traditionnel est prévu pour injecter du combustible de façon sélective à l'intérieur de la chambre de

combustion 20 de façon à alimenter le moteur 10.

Une enveloppe annulaire classique 32 entoure le moteur 10 depuis le compresseur LPC 16 jusqu'à la turbine LPT 24, et délimite avec le compresseur LPC 16 une entrée 34 de compresseur LPC pour recevoir une partie de l'air ambiant 36

des ailettes 14 à proximité du pied 38 de celles-ci L'extré-

mité aval de l'enveloppe 32 délimite avec un noyau central

d'échappement 40 annulaire classique une sortie 42 d'échappe-

ment annulaire.

Autour des ailettes 14 et de la partie amont de l'enveloppe 32 se trouve un conduit annulaire classique, ou nacelle, 44, qui est situé de façon traditionnelle à une certaine distance radiale vers l'extérieur de l'enveloppe 32 pour permettre à la partie radialement extérieure de l'air 36 qui a été canalisé au-delà des ailettes 14 de s'écouler Une pluralité d'aubes de guidage de sortie classiques, espacées sur la circonférence, ou aubes OGV de stator 46, sont placées radialement entre l'enveloppe 32 et la nacelle 44, et se situent à la distance axiale S en aval des ailettes 14, comme représenté plus en détail sur la figure 2 La nacelle 44 comporte une entrée 48 en son extrémité amont pour recevoir l'air ambiant 36, et une sortie 50 pour expulser la partie de l'air 36 qui a été canalisé par les ailettes 14 au-delà des aubes OGV 46 de façon à fournir la plus grande partie de la

poussée du moteur 10 pour propulser l'avion.

Pendant le fonctionnement du moteur 10, les ailettes de la soufflante 14 et les ailettes du rotor du compresseur LPC 16 (non représenté) sont amenées à tourner à la vitesse de rotation N autour de l'axe central 12 par la turbine LPT 24 Une partie de l'air 36 traverse les ailettes de soufflante 14 à proximité de leur pied 38, pénètre dans l'entrée 34 du compresseur LPC o elle est comprimée par le compresseur LPC 16, est ensuite comprimée encore par le compresseur HPC 18, et canalisée jusqu'à la chambre de combustion 20 Le moyen 30 d'injection de combustible ajoute du combustible à l'air comprimé 36 dans la chambre de combustion 20 et l'allumage se fait de façon traditionnelle pour produire des gaz de combustion 52 Les gaz de combustion 52 sont canalisés depuis la chambre de combustion 20 jusqu'à la turbine HPT 22 pour actionner le compresseur HPC 18, et sont ensuite canalisés jusqurà la turbine LPT 24 pour actionner les ailettes de soufflante 14 et le compresseur LPC 16 Les gaz 52 sont ensuite expulsés par la sortie 42 d'échappement La partie radialement externe de l'air 36 qui ne pénètre pas dans l'entrée 34 du compresseur LPC est comprimée par les ailettes de soufflante 14 et est canalisée au-delà des aubes de stator OGV 46 à l'intérieur de la nacelle 44 et expulsée par la sortie 50 pour fournir la

poussée qui propulse l'avion.

On sait traditionnellement que les ailettes tournantes du rotor d'un compresseur ou d'une soufflante de moteur à turbine à gaz génère du bruit qui se répand soit en amont, soit en aval, soit les deux, bruit qui peut être suffisamment fort, spécialement pendant les opérations de

décollage ou d'approche du moteur 10, pour être inadmissi-

ble Suivant la présente invention, un procédé et un appareil améliorés sont proposés pour réduire le bruit généré par les ailettes de rotor du moteur 10 comme le bruit dû aux ailettes de soufflante 14 ou aux ailettes du rotor du compresseur LPC

16 Cependant, la présente invention sera décrite en particu-

lier en se référant aux ailettes de soufflante 14, étant bien entendu pour l'homme de l'art que cela peut aussi s'appliquer à d'autres types et d'autres configurations d'ailettes de rotor ayant des aubes de stator adjacentes comme dans les

soufflantes et les compresseurs.

Les bruits dûs aux ailettes 14 spécialement concernées par la présente invention sont traditionnellement connus comme bruits, ou sons, en mode tournant à fréquence discrète, lesquels sont des champs de pression tournant, ou remous, provoqués par les ailettes tournantes 14 elles-mêmes et en outre par l'interaction de ces ailettes 14 avec les aubes OGV 46 adjacentes situées en aval Les bruits en mode tournant comportent traditionnellement un mode fondamental et d'autres harmoniques Plus précisément, le bruit en mode tournant est généré par les ailettes 14 à la fréquence fondamentale de passage d'ailettes BPF et à des harmoniques plus élevées de celle-ci Traditionnellement, on sait que, lors de la conception du moteur à turbine à gaz, il faut choisir initialement un nombre B, représentant le nombre total d'ailettes 14, puis un nombre V, représentant le nombre total d'aubes OGV 46, en se basant sur un critère classique permettant de diminuer le bruit en mode tournant Etant donné le nombre B d'ailettes 14, la fréquence de passage d'ailettes BPF est simplement le produit du nombre d'ailettes B par la vitesse de rotation N des ailettes 14 autour de l'axe central 12, c'est-à-dire Bx N Les harmoniques de cette fréquence sont donc représentées par un nombre entier d'harmoniques N = 1, 2, 3,, sachant que la première harmonique (n=l) est la même que la fréquence fondamentale de passage d'ailettes BPF, la deuxième harmonique (n= 2) a une fréquence double, et ainsi

de suite pour les harmoniques supérieures.

Les principes de base de la présente invention sont ceux qui régissent la propagation et le rayonnement d'un bruit discret, comme les bruits en mode tournant, dans un conduit annulaire tel que la nacelle 44 Pour les nombres V d'aubes OGV 46 et B d'ailettes 14, le bruit discret qui nous intéresse comprend une superposition de motifs de pression représentés par le nombre m du mode tournant, à savoir: m = n B -k V ( 1) o N est le nombre entier d'harmoniques de la fréquence de passage d'ailettes, lequel vaut 1, 2, 3, et k est un nombre indiciel qui peut prendre toute valeur entière positive ou négative, c'est-à-dire plus ou moins 1, 2, 3, Comme on le voit sur la figure 1, les ailettes 14 comportent aussi un bout d'ailette 54 radialement externe placé à la distance radiale R, de l'axe central 12, qui, lorsque le rotation s'effectue à la vitesse de rotation N, a un nombre de Mach Mt de la vitesse de bout représentée par: Mt = 2 x N Rt/60 A O ( 2) o A est une constante caractéristique de la vélocité sonique de l'air 36 à l'intérieur de la nacelle 44

déterminée de façon classique.

L'écoulement de l'air 36 dans la nacelle 44 entre l'entrée 48 et la sortie 50 se fait, pour les conditions données de fonctionnement du moteur qui nous intéressent telles que celles du moteur 10 lors du décollage ou de l'approche, à une vitesse qui peut être représentée par son nombre de Mach Ma de la façon suivante: Ma = Va/Ao ( 3) o Va est la vélocité de l'air 36 s'écoulant dans la

nacelle 44 entre l'entrée 48 et la sortie 50.

Dans un mode de réalisation classique, le nombre V

d'aubes OGV 46 est choisi par rapport à un nombre prédéter-

miné B d'ailettes 14, de façon à obtenir de façon tradition-

nelle la coupure connue du bruit en mode tournant généré par les ailettes 14 dans les conditions de fonctionnement qui

nous intéressent La coupure est un concept connu représen-

tant un point en-dessous duquel le son discret en mode

tournant, ou bruit à une fréquence donnée, va diminuer et au-

delà duquel (et pour lequel) le son en mode tournant va se propager en traversant la longueur de la nacelle 44 et rayonner vers l'extérieur à partir de l'entrée 48, ou de la sortie 50, ou des deux, jusqu'à l'air libre, ce qui, au

démarrage ou à l'atterrissage de l'avion, peut être inaccep-

tablement fort pour les personnes du voisinage qui l'enten-

dent Comme le bruit en mode tournant se produit pour différents harmoniques, un point de coupure correspondant est associé à chacun de ces harmoniques On sait par exemple que pour avoir une coupure des harmoniques du bruit en mode tournant jusqu'à l'harmonique n, le nombre d'aubes V du stator doit être choisi supérieur ou égal à deux fois le

nombre B d'ailettes du rotor multiplié par le nombre harmoni-

que n Pour la fréquence fondamentale du passage d'ailettes BPF, V doit être égal à 2 B Pour avoir une coupure jusqu'au deuxième harmonique, le nombre V d'aubes doit être supérieur ou égal à 4 B, etc Toutefois, pour les moteurs à soufflante carénée modernes à fort flux dérivé, le nombre nécessaire V d'aubes du stator, c'est-à-dire 4 B, est un nombre vraiment trop élevé et ne peut pas être utilisé dans la conception du moteur.

Par conséquent, choisir le nombre d'aubes V néces-

saire simplement à la coupure du son fondamental en mode tournant BPF ne permet pas d'accéder au son en mode tournant d'harmonique plus élevé, qui, en général, se propage et rayonne de la nacelle 44 avec une énergie et une amplitude relativement importantes Bien que la nacelle 44, comme illustré à la figure 1, comporte traditionnellement une doublure 56 de suppression du son, une telle doublure 56 est en général adaptée à des sons spécifiques et est moins efficace pour atténuer les sons en mode tournant d'harmonique supérieure qui propagent de l'énergie dans la direction axiale parallèle à l'axe central 12 sous forme d'onde plane classique C'est en cherchant comment réduire les niveaux de bruit en mode tournant des harmoniques supérieures, et comment les supprimer grâce à la doublure 56 du conduit, que l'on est arrivé au dispositif de la présente invention. Le principe utilisé pour la présente invention est que la coupure telle qu'elle est représentée par le paramètre au rapport de coupure K, définit uniquement la propagation et

le rayonnement caractéristique de chaque son en mode tour-

nant Le rapport de coupure K peut, d'une autre manière, être considéré comme représenté le rapport d'une fréquence d'une source de son à la fréquence qui commence juste à se propager dans le conduit Pour des modes tournants particuliers m avec un rapport de coupure inférieur à 1, 0, le son en mode tournant va diminuer, et pour des valeurs supérieures ou égales à 1,0, le son en mode tournant va se propager dans la nacelle 44 et rayonner vers l'extérieur de celle-ci Plus la valeur de K est élevée, plus la direction de propagation du son s'aligne avec l'axe central 12, et plus le temps de résidence de l'onde sonore à l'intérieur de la nacelle 44 avant de rayonner vers l'extérieur de cette nacelle devient petit En outre, plus la valeur du rapport de coupure K est grande, plus l'atténuation due à la doublure de suppression

56 est faible.

Le rapport de coupure K peut être représenté de différentes façons, mais la représentation suivante est particulièrement utile pour la définition de la présente invention. n B ( Mt

K = ( 4)

I 4 ( 1 Ma) L'équation ( 4) montre que le rapport de coupure K est proportionnel au nombre harmonique N de la fréquence de

passage d'ailettes, au nombre B d'ailettes qui est prédéter-

miné en se basant sur un dessin traditionnel, à la valeur il absolue du nombre m du mode tournant, et à la vitesse du bout 54 des ailettes de soufflante par rapport à la vitesse de l'écoulement de l'air 36 à travers la nacelle 44 qui est représentée, par exemple, par l'expression (Mt)/(l-Ma 2)* Pour visualiser la portée de la présente invention, le rapport de coupure K a été tracé en ordonnée sur le graphique de la figure 3, en fonction du nombre V d'aubes porté en abscisse, ceci pour un nombre B d'ailettes choisi égal à 34 dans l'exemple Le rapport de coupure K a été tracé pour chacun des six premiers harmoniques N de la fréquence BPF associée au son en mode tournant correspondant, ce qui

donne les courbes de 58, 60, 62, 64, 66 et 68 pour respecti-

vement les premier, second, troisième, quatrième, cinquième et sixième rapport de coupure La valeur du nombre entier k utilisé dans le nombre m en mode tournant est + 1 pour représenter mathématiquement un mode de réalisation utilisant

des ailettes 14 suivies d'aubes OGV 46 de façon traditionnel-

le Pour d'autres modes de réalisation de la présente invention, la valeur du nombre entier k peut être choisie traditionnellement Aussi, dans l'exemple montré à la figure 3, on a utilisé pour tracer les rapports de coupure K de l'exemple, les valeurs suivantes: N = 2360 tr/min; Rt =

3,05 m; A = 344 m/s; et Va = 172 m/s.

Pour obtenir une coupure du premier harmonique du son en mode tournant correspondant à la fréquence de passage d'ailettes BPF, (c'est- à-dire n=l), le graphique montre que le nombre d'aubes V doit être supérieur à environ 76, ce qui représente le croisement de la première courbe 58 avec la

ligne K=l.

Cependant, pour V= 76, la valeur du rapport de coupure K pour le deuxième harmonique, c'est-à-dire la seconde courbe 60, est supérieure à 1, valeur très grande indiquant une propagation substantielle du son correspondant en mode tournant qui lui est associé Conformément à une pratique traditionnelle, pour obtenir une coupure du second harmonique du son en mode tournant, le nombre d'aubes V devrait être supérieur ou égal à 2 n B (c'est-à-dire 2 x 2 x 34 = 136) ce qui est un nombre beaucoup trop élevé d'aubes V quand

on utilise 34 ailettes.

Conformément à la présente invention, le nombre d'aubes V peut être choisi pour un nombre prédéterminé d'ailettes B à partir d'un graphique tel que celui représenté sur la figure 3 par exemple, de façon à minimiser les rapports de coupure K pour deux harmoniques n, ou plus, et si possible pour tous Ceci peut être réalisé par exemple, en choisissant le nombre V d'aubes de telle sorte que les rapports de coupure K pour au moins deux nombres harmoniques n soit sensiblement égaux, ce qui se produit à l'intersection de deux courbes de rapport de coupure En d'autres termes, le nombre d'aubes V peut être choisi par rapport à un nombre prédéterminé d'ailettes B de façon à obtenir en même temps des valeurs sensiblement égales des rapports de coupure pour

au moins deux nombres harmoniques n.

La figure 3 montre par exemple que le rapport de coupure K pour le premier nombre harmonique N ayant la valeur n=l peut être maintenu à une valeur inférieure à 1,0 de façon à obtenir la coupure du son fondamental en mode tournant tout en réduisant aussi les valeurs des rapports de coupure K associés aux harmoniques supérieurs, de façon à réduire le bruit total en mode tournant généré par les ailettes 14 En choisissant le nombre d'aubes V= 82 au lieu de 76, le nombre additionnel relativement petit d'aubes amène à une réduction substantielle du rapport de coupure K pour le deuxième harmonique en mode tournant représenté par la deuxième courbe 60, bruit qui se produirait autrement si on utilisait 76 aubes OGV 46 D'une façon générale, on observe que les contributions relatives au bruit total en mode tournant généré par les ailettes 14 et les aubes OGV 46 diminuent pour chaque son en mode tournant d'harmonique supérieure Par conséquent, bien que les sons en mode tournant d'harmonique trois ou plus, représentés sur la figure 3 par les courbes 62, 64, 66 et 68, augmentent en amplitude lorsque le nombre V d'aubes augmente au-delà de 76, le rapport de coupure K, et le son en mode tournant correspondant, pour la deuxième harmonique représentée par la courbe 60 diminue L'intersec-

tion des deuxième et troisième courbes, 60 et 62, correspon-

dant aux nombres harmoniques n= 2 et n= 3, représenté par le point A de la figure 3, correspond à une valeur maximale des rapports de coupure K pour toutes les harmoniques des sons en mode tournant de la figure 3, (c'est-à-dire par exemple n=l, 2, 3, 4, 5 et 6) pour V= 82 aubes Cet exemple montre que choisir le nombre V d'aubes égal à 82 donne les valeurs égales et les plus faibles du rapport de coupure K à la fois pour la deuxième et la troisième harmonique (c'est-à-dire n= 2 et n= 3), toutes les harmoniques supérieures (c'est-à-dire n> 3) ayant des valeurs significativement inférieures du rapport de coupure K. Par conséquent, un trait caractéristique de la présente invention est de choisir le nombre d'aubes V de façon à obtenir simultanément des valeurs soit égales, soit sensiblement égales des rapports de coupure K pour au moins deux nombres harmoniques n, nombres qui peuvent être soit consécutifs comme n= 2 et n= 3, ainsi que décrit ci-dessus,

soit non consécutifs comme on le verra en détail ci-dessous.

Dans les deux cas, le choix représente l'intersection d'au moins deux des courbes de rapport de coupure qui résulte nécessairement en une valeur locale minimale du rapport de coupure K puisque choisir un nombre soit plus petit, soit

plus grand d'aubes V résulte nécessairement en une augmenta-

tion d'au moins l'une des valeurs du rapport de coupure K représentée par les deux courbes se coupant Comme un nombre entier d'aubes V doit être choisi lors de la conception du moteur 10, le nombre d'aubes V est choisi de façon à se situer à l'intersection de deux courbes, comme représenté par exemple par la condition A de la figure 3, ou suffisamment près de celui-ci ou souhaitable pour obtenir un nombre entier d'aubes V, qui est de préférence un nombre entier pair d'aubes V pour faciliter la fabrication conformément à la pratique traditionnelle Bien sûr, un nombre impair d'aubes V peut aussi être utilisé si on le souhaite. Toujours pour la présente invention, pour le point A indiqué à la figure 3 représentant l'intersection des rapports de coupure K pour le deuxième et le troisième harmoniques (n= 2 et n= 3), on a trouvé une valeur optimale et unique du nombre d'aubes V Cette valeur est optimale pour la condition A puisque la valeur du rapport de coupure K correspondant à la première harmonique du son en mode tournant n=l est inférieure à 1,0 et puisque les rapports de coupure (K= 6,4) associés à l'intersection des deuxième et troisième courbes 60 et 62 représente une valeur maximale pour au moins les six harmoniques représentées à la figure 3 lorsque le nombre d'aubes V est choisi égal à 82, étant bien entendu que les rapports de coupure K correspondants aux harmoniques plus élevées (n> 6) qui ne sont pas représentés seront en général eux aussi inférieurs à cette valeur maximale. La valeur du nombre d'aubes V pour la condition A est unique puisqu'elle peut être déterminée analytiquement en mettant en équation les rapports K de coupure représentés par l'équation 4 pour les deux nombres harmoniques n= 2 et n= 3 et en résolvant le système pour un rapport aube-ailette V/B de la façon suivante: 2 B Mt = 3 BM () 2 B-k V 1 ( 1-M 2)% 3 B-k V j( 1-M 2)( 2 53 B-k VI = 3-2 Bk VI ( 6) 4 ( 9 82 6 Bk V + K 2 V 2) = 9 ( 482 4 Bk V + K 2 V 2) ( 7) 36 82 24 Bk V + 4 K 2 V 2 = 36 B 2 36 Bk V + 9 K 2 V 2 ( 8) V/B = 12/5 k = 2 4 ( 9) En examinant les équations 5 à 9, on peut remarquer que l'intersection des deuxième et troisième courbes 60 et 62 de la figure 3 est uniquement fonction du nombre harmonique n et du nombre m de mode tournant pour un nombre donné d'ailettes B, et est indépendant de l'amplitude absolue des rapports de coupure K ainsi que de la vitesse du bout de l'ailette (M), de la vitesse d'écoulement (Ma)/ de la vitesse de rotation N, du rayon du bout de l'ailette R,, et de la

vélocité sonore du conduit A, Le rapport résultant aube-

ailette V/B se réduit simplement à 12/5 k, k étant tradition-

nellement choisi égal à + 1 pour le mode de réalisation de l'assemblage de soufflante de l'invention illustré à la figure 1, ce qui résulte en une valeur unique du rapport aube-ailette V/B égal à 2,4 On notera dans la figure 3 que l'intersection des deuxième et troisième courbes 60 et 62 se produit à proximité d'un nombre d'aubes V = 82 environ qui, quand on ledivise par le nombre d'ailettes B= 34 utilisé pour tracer le graphique de la figure 3, résulte en un rapport

aube-ailette V/B de 2,41 Par conséquent, le rapport aube-

ailette V/B pour la condition A peut être déterminé soit en traçant le graphe comme représenté à la figure 3, soit

analytiquement en utilisant les équations 5 à 9, la détermi-

nation analytique de celui-ci indiquant que cette valeur est unique.

Par conséquent, pour la condition A décrite ci-

dessus, le nombre d'aubes V peut être choisi à partir d'un nombre prédéterminé donné d'ailettes B de telle sorte que le rapport aube/ailette V/B soit égal ou sensiblement égal à 2,4 Bien sûr, le nombre entier le plus proche des aubes V doit être utilisé pour une application pratique puisqu'on ne peut pas réaliser des fractions d'ailettes, et dans le mode de réalisation préféré, le nombre entier pair le plus proche d'aubes V est choisi pour faciliter la fabrication en utilisant des techniques de fabrication classiques pour monter les aubes comme les aubes OGV 46 du moteur 10 Bien sûr, on peut utiliser si on le souhaite un nombre entier impair d'aubes V. Suivant un autre trait caractéristique de la présente invention, si l'on retire la nécessité d'avoir une coupure pour le son fondamental en mode tournant BPF, c'est- à-dire K< 1,0 pour n=l, alors un autre rapport aube- ailette V/B acoustiquement optimal et unique peut aussi être obtenu qui donne des valeurs égales ou sensiblement égales à la fois pour les rapports de coupure K de l'harmonique fondamental et du deuxième harmonique (n= 1 et n= 2) comme représenté par la condition B de la figure 3 Dans ce mode de réalisation, les deux nombres harmoniques consécutifs sont n=l et n= 2, associés respectivement aux première et deuxième courbes 58 et 60, ce qui amène non seulement une valeur minimale locale du rapport de coupure K à la fois pour les premier et second harmoniques du son en mode tournant, mais aussi en ce que cette valeur est une valeur maximale de plusieurs rapports de coupure K pour le nombre d'aubes V associé, par exemple 45, pour le nombre d'ailettes B= 34 Le rapport aube-ailette V/B correspondant est unique et est égal à 4/3, et peut de façon similaire être obtenu comme décrit ci-dessus pour les équations 5 à 9 en mettant en équation à la place le rapport de coupure K de l'équation 4 correspondant aux nombres

harmoniques n=l et n= 2 et en recherchant le rapport aube-

ailette V/B utilisant là encore une valeur égale à + 1 pour la constante entière k correspondant à l'ensemble de soufflante illustré à la figure 1 Là encore, ce rapport aube-ailette unique V/B dépend seulement du nombre harmonique N et du nombre de mode tournant m pour la valeur donnée du nombre

entier k égal à 1.

Bien que le rapport de coupure K pour l'harmonique fondamental du son en mode tournant représenté par la première courbe 58 ne soit plus inférieur à 1,0, il a une

valeur relativement faible égale à environ 3,8 pour l'inter-

section des première et deuxième courbes 58 et 60, les rapports de coupure K correspondants au son en mode tournant d'harmonique supérieure étant représentés par les courbes 62, 64, 66 et 68, et étant significativement inférieur par rapport à lui Cet autre mode de conception peut être utilisé pour le moteur 10 illustré à la figure 1 si la distance axiale S rotor-stator est relativement importante pour qu'il y ait une longueur axiale suffisante à l'intérieur de la nacelle 44 pour permettre à la doublure 56 de supprimer

efficacement les bruits en mode tournant qui s'y propagent.

Par exemple, en se référant à la figure 2, chacune des ailettes 14 de la soufflante a une emplanture, ou longueur, entre les bords d'attaque et de traîne du pied 38, dont la projection axiale est désignée par C; le rapport de la distance axiale S entre les bords de traîne des pales 16 et les bords d'attaque des aubes OGV 46 divisé par la projection axiale C de l'emplanture, c'est-à-dire S/C, est de préférence supérieur à environ 1,5, de façon à assurer une diminution de remous suffisante et une suppression efficace des sons en

mode tournant par la doublure 56.

Un autre rapport aube-ailette V/B acoustiquement optimal et unique est représenté à la figure 3 par la condition C qui représente l'intersection de deux des courbes de rapport de coupure dans lesquelles les deux nombres harmoniques N ne sont pas consécutifs, par exemple n= 1 et n= 3 Ce mode de réalisation peut être utilisé, par exemple, si l'on n'a pas l'obligation de coupure du premier harmonique en mode tournant, c'est-à-dire K inférieur à 1,0 pour la première courbe 58, et le deuxième harmonique en mode tournant est déterminé soit analytiquement, soit par essai de façon à ne pas être une contribution trop forte au spectre de bruit général de la soufflante produit par le moteur 10 Il faut remarquer que dans la figure 3, l'intersection des première et troisième courbes 58 et 62 amène à un rapport de coupure K qui est inférieur à celui associé au second harmonique du mode tournant correspondant à la deuxième courbe 60 La condition C se produit pour un nombre d'aubes

V égal à 51, qui peut être utilisé dans le moteur 10 repré-

senté à la figure 1 à condition que le son en mode tournant du deuxième harmonique ne contribue pas de façon trop forte au bruit total et puisse être effectivement atténué par la

doublure 56 de suppression du son.

Là encore, la valeur unique du rapport aube-ailette V/B peut être obtenue comme on l'a fait ci-dessus pour les équations 5 à 9 en mettant en équation les rapports de coupure K contenus dans l'équation 4 utilisant les nombres harmoniques n= 1 et n= 3, et en choisissant une valeur + 1 pour le nombre entier k Le rapport unique aube-ailette V/B de 1,5

amène à 51 aubes pour les 34 ailettes données.

Le choix d'un rapport aube-ailette V/B spécifique pour une application particulière de la conception basé sur l'une des conditions A, B ou C décrites ci-dessus en tant qu'exemple, dépend de la grandeur ou amplitude relative des sons en mode tournant respectifs associés aux premier, second et troisième harmonique, par rapport au spectre de bruit général de la soufflante se propageant à partir de la nacelle 44 Par conséquent, pour toute application donnée de la conception, un rapport aube-ailette V/B approprié peut être choisi suivant la présente invention aux conditions A, B ou C choisies pour exemple, ou à d'autres conditions, toutes ces conditions ayant en commun, conformément à la présente invention, un nombre V d'aubes de stator choisi pour un nombre B d'ailettes donné de façon à obtenir des valeurs égales ou sensiblement égales des rapports de coupure K pour

au moins deux nombres harmoniques n.

La figure 4 représente un autre graphique traçant le rapport de coupure K en fonction du nombre V d'aubes suivant un mode de réalisation préféré de la présente invention comportant 22 ailettes de soufflante 14 et dans le

moteur 10 de la figure 10 La figure 4 représente le fonc-

tionnement du moteur 10 au décollage, le moteur 10 propulsant un avion (non représenté), dans lequel la vitesse N de rotation au décollage est de 2360 tr/min, et le nombre de Mach en bout de la soufflante Mt est égal à 1,093 pour les ailettes 14 ayant un rayon R de 3,05 mètres Le nombre de Mach de l'écoulement Ma était de 0,5, la vélocité de l'écou- lement dans le conduit Va étant égale à 172 m/s, et la vélocité sonique dans le conduit A étant égale à 344 m/s Là encore, les première, deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième courbes 70, 72, 74, 76, 78 et 80 sont représentées à la figure 4 et montrent les rapports de

coupure respectifs K associés au premier, deuxième, troisiè-

me, quatrième, cinquième et sixième harmoniques du son en

mode tournant La condition analogue A représentant l'inter-

section des deuxième et troisième courbes 72 et 74 est représentée, laquelle se produit pour un nombre d'aubes V du stator égal à environ 52, 8, lorsque le nombre d'ailettes B est égal à 22 Comme décrit ci-dessus, le rapport unique aube-ailette V/B pour la condition A est égal à 2,4 Comme 52,8 n'est pas un nombre entier, le nombre entier suivant 52 ou 53 doit être choisi Toutefois, il est préférable de choisir 54 ailettes 46 de stator de façon à s'assurer que le rapport de coupure K pour l'harmonique fondamentale du son en mode tournant associé à la première courbe 70 est vraiment inférieure à 1,0 et, un nombre pair d'aubes, c'est-à-dire les aubes OGV 46, est choisi pour la facilité de fabrication De même, dans le mode de réalisation préféré illustré sur les figures 1 et 2, les aubes OGV 46 se situent à une distance axiale S en aval des pales 14 de la soufflante, de sorte que la distance axiale S divisée par la projection axiale C de l'emplanture est supérieure à environ 1,5, et par exemple égale à 2,0, afin de s'assurer que les sons en mode tournant d'harmonique supérieur soit atténués de façon appréciable à l'intérieur de la nacelle 44 grâce à la doublure 56 de

suppression du son.

Par conséquent, en choisissant le rapport aube-

ailette V/B de façon à obtenir un rapport de coupure relati-

vement minimal pour les sons en mode tournant de la deuxième et troisième harmonique, par exemple, au moins un des rapports de coupure K des harmoniques a une valeur inférieure à celle qu'il aurait si le nombre d'aubes V était choisi correspondant à un point éloigné de la condition A, ce qui va

réduire l'amplitude du son en mode tournant de cette harmoni-

que à l'intérieur du spectre général du bruit Par exemple, un minimum d'environ 50 aubes est requis pour 22 ailettes de

façon à être sûr que le rapport de coupure K pour l'harmoni-

que fondamentale du son en mode tournant représentée par la première courbe 70 soit inférieur à 1,0 Dans ce cas, le rapport de coupure du second harmonique représenté par la deuxième courbe 72 a une valeur relativement élevée d'environ 9,2, et le rapport de coupure pour la troisième harmonique a une valeur plus petite d'environ 5,2 pour 50 aubes Comme l'importance de la contribution au spectre général de bruit diminue lorsque le nombre harmonique augmente, le bruit attribuable au second harmonique associé à la seconde courbe 72 est sensiblement plus grand que le bruit dû à la troisième harmonique associée à la troisième courbe 74 En choisissant la condition A avec environ 54 aubes au lieu de seulement 50, la petite augmentation du nombre d'aubes réduit sensiblement le rapport de coupure pour le second harmonique K de 9,2 à 6,4 alors qu'elle n'augmente que légèrement la valeur du

rapport de coupure pour la troisième harmonique de 5,2 à 6,4.

Cela contribue à une réduction générale dans le spectre de

bruit émis par le moteur 10 en cours de fonctionnement.

En outre, en réduisant la valeur du rapport de coupure K pour le second harmonique à celle du rapport de coupure K pour la troisième harmonique, la doublure 56 de suppression du son peut être conçue de façon à supprimer de façon égale à la fois les bruits en mode tournant de la deuxième et troisième harmonique, au lieu de supprimer

essentiellement soit l'une, soit l'autre.

En outre encore, on évite des interactions en mode tournant relativement faibles (c'est-à-dire des valeurs du nombre m en mode tournant proches de zéro), ce qui évite des

niveaux de bruit de longue durée qui se produiraient autre-

ment et qui ne sont pas supprimés de façon efficace par la doublure 56 Pour la condition A o les courbes des deuxième et troisième harmonique 72 et 74 se coupent, les nombres m de

mode tournant du premier et deuxième harmonique sont maximum.

En outre encore, la conception d'un ensemble de soufflante destiné à fonctionner près du point d'intersection de deux courbes du rapport de coupure K des harmoniques assure la coupure, au moins pour ces deux courbes, sur une gamme relativement étendue de la vitesse N de fonctionnement

de la soufflante.

En se référant de nouveau à la figure 4, il faut noter que dans ce mode de réalisation de l'invention avec 22 ailettes de soufflante 14, la condition B pour lesquelles les courbes 70 et 72 du rapport de coupure des première et deuxième harmoniques se coupent, ne se produit pas à moins de 100 aubes, ni d'ailleurs la condition C pour laquelle les courbes 70 et 72 des rapports de coupure correspondant aux première et deuxième harmoniques se coupent Cependant, la figure 4 montre six autres intersections des courbes de rapport de coupure des harmoniques, comme celles des première

et quatrième courbe 72 et 76 associées aux nombres harmoni-

ques n= 2 et n= 4, c'est-à-dire la condition D, qui est l'intersection suivante pour un nombre d'aubes V plus élevé que celui associé à la condition A, qui se produit pour V

égal à environ 59.

Plus spécifiquement, le rapport aube-ailette V/B unique associé à l'intersection des seconde et quatrième courbes 72 et 76 peut là encore être obtenu en mettant en équation les rapports de coupure K de l'équation 4 pour les nombres harmoniques n= 2 et n= 4, que l'on peut résoudre comme cela a été fait pour les équations 5 à 9 de façon à obtenir un rapport V/B = 8/3 = 2,667 pour une valeur du nombre entier

k de + 1.

En utilisant cette valeur unique du rapport V/B pour les 22 aubes de la figure 4, il résulte que V doit être égal à 58,7 Par conséquent, le nombre d'aubes V, c'est-à-dire les aubes OGV 46, pourrait aussi être choisi comme le nombre entier pair suivant, 58, ce qui correspond à seulement quatre aubes de plus que les 54 choisies pour la condition A Pour

la condition D, tous les rapports de coupure K des harmoni-

ques représentés sur la figure 4 sont inférieurs à ceux associés à la condition A, sauf pour le rapport de coupure de la troisième harmonique Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, on peut choisir soit la condition A avec 54 aubes OGV 46, soit la condition D avec 58 aubes OGV 46, tout dépend laquelle amène à une amplitude générale du

bruit émis par la nacelle 44 la plus basse pendant le fonc-

tionnement dans les conditions qui nous intéressent.

L'analyse prédit que le mode de réalisation de la condition A avec 54 aubes OGV 46 et 22 ailettes de soufflante 14 va résulter en une réduction significative de l'amplitude

du bruit général émis par la nacelle 44 pendant le fonction-

nement quand on la compare avec un ensemble de soufflante traditionnel comportant 38 ailettes et 80 aubes OGV (V/B = 2,1) Les prédictions analytiques ont été confirmées par un

essai en soufflerie à l'échelle 1/5 de l'ensemble de souf-

flante représenté à la figure 1, essai qui a mesuré le bruit

pour tous les harmoniques en mode tournant jusqu'à l'harmoni-

que n= 6.

Comme on sait traditionnellement qu'un rapport

aube-ailette de 4/3 peut être utilisé dans certaines condi-

tions, la présente invention préfère exclure la valeur 4/3 du

rapport V/B, sauf dans les cas spécifiques décrits ci-dessus.

Et, par conséquent, les deux nombres harmoniques N permettant d'obtenir des valeurs sensiblement égales des rapports de coupure respectifs sont ceux associés de préférence aux intersections des courbes de rapport de coupure correspondant à des paires de nombres harmoniques à l'exclusion de n= 1 et n= 2 associé au rapport V/B de 4/3 Ces paires de nombres harmoniques sont de préférence choisies dans le groupe de paires de nombres harmoniques comportant n= 1 et n= 3 associés à V/B = 1, 5; n= 2 et n= 3 associés à V/B = 2,4; n= 2 et n= 4

associés à V/B = 8/3; et d'autres paires de nombres harmoni-

ques, paires dont le produit des nombres harmoniques est supérieur à 2, c'est-à-dire supérieur à n= 1 fois n= 2 (lx 2) associé à V/B = 4/3 Par exemple, le produit des nombres harmoniques des paires décrites ci- dessus sont respectivement

3, 6 et 8.

Par conséquent, la présente invention propose un nouveau procédé pour choisir le nombre d'aubes de stator que l'on va utiliser avec un nombre donné d'ailettes de rotor de façon à diminuer l'amplitude des sons en mode tournant générés en cours d'opération, et les rendre plus faciles à supprimer grâce à la doublure 56 de suppression du son pour réduire encore leur amplitude Bien que l'invention ait été

décrite en se référant à l'exemple de l'ensemble de souf-

flante illustré sur la figure 1, comportant des ailettes de soufflante 14 et des aubes OGV 46 entourées par une nacelle 44, d'autres modes de réalisation de la présente invention peuvent être réalisés par l'homme de l'art, incluant par

exemple, d'autres ensembles de soufflante avec des compres-

seurs, des ailettes de rotor et des aubes de stator.

Il est bien entendu que la description qui précède

n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes et des modifications peuvent

y être apportées dans le cadre de la présente invention.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1 Un ensemble formant soufflante pour moteur ( 10) à turbine à gaz comportant: un nombre B d'ailettes ( 14) de rotor réparties sur la circonférence, un nombre V d'aubes ( 46) de stator réparties sur la circonférence et placées à une certaine distance axiale desdites ailettes, un conduit annulaire ( 44) entourant lesdites ailettes et lesdites aubes et comportant une entrée ( 48) pour recevoir l'air et une sortie ( 50) pour expulser au moins une partie dudit air après compression par lesdites ailettes, ledit air comprimé générant des sons en mode tournant dont

chacun se propage au-dessus d'un rapport de coupure K corres-

pondant de 1,0 et diminue au-dessous dudit rapport de coupure

de 1,0 pour une pluralité de nombres harmoniques N correspon-

dant de la fréquence de passage de l'ailette, et ledit nombre d'aubes V par rapport audit nombre d'ailettes B étant efficace pour obtenir des valeurs sensiblement égales dudit rapport de coupure pour au moins deux desdits nombres harmoniques n, lesdits deux nombres

harmoniques N ayant un produit supérieur à 2.

2 Un ensemble formant soufflante selon la revendi-

cation 1, dans lequel ledit rapport de coupure pour lesdits

deux nombres harmoniques N a une valeur maximale.

3 Un ensemble formant soufflante selon la revendi-

cation 1, dans lequel lesdits deux nombres harmoniques N sont consécutifs.

4 Un ensemble formant soufflante selon la revendi-

cation 3, dans lequel lesdits deux nombres harmoniques

consécutifs sont n= 2 et n= 3.

Un ensemble formant soufflante selon la revendi- cation 4, dans lequel ledit nombre d'aubes V divisé par ledit

nombre d'ailettes B est égal à environ 2,4.

6 Un ensemble formant soufflante selon la revendi-

cation 5, dans lequel ledit rapport de coupure pour ledit

nombre harmoniques n=l est inférieur à 1,0.

7 Un ensemble formant soufflante selon la revendi-

cation 6, dans lequel ledit nombre d'ailettes B est de 22 et ledit nombre d'aubes V est de 54.

8 Un ensemble formant soufflante selon la revendi-

cation 7, dans lequel: ledit rapport de coupure est proportionnel à n B 4 4 et au nombre de Mach de la vitesse du bout desdites ailettes de la soufflante par rapport au nombre de Mach de la vitesse d'écoulement dudit air à travers ledit conduit, m = n B-k V, et

k est un nombre entier positif ou négatif.

9 Un ensemble formant soufflante selon la revendi-

cation 1, dans lequel lesdits deux nombres harmoniques N ne

sont pas consécutifs.

Un ensemble formant soufflante selon la revendication 9, dans lequel lesdits deux nombres harmoniques

sont n= 1 et n= 3.

11 Un ensemble formant soufflante selon la revendication 10, dans lequel ledit nombre d'aubes V divisé

par ledit nombre d'ailettes B est égal à environ 1,5.

12 Un ensemble formant soufflante selon la revendication 9, dans lequel lesdits deux nombres harmoniques

sont n= 2 et n= 4.

13 Un ensemble formant soufflante selon la revendication 12, dans lequel ledit nombre d'aubes V divisé

par ledit nombre d'ailettes B est environ égal à 8/3.

14 Un ensemble formant soufflante pour un moteur à turbine à gaz comportant un nombre B d'ailettes de rotor réparties sur la circonférence, un nombre V d'aubes de stator réparties sur la circonférences et situées à une certaine distance axiale desdites ailettes de rotor, et un rapport V/B dudit nombre d'aubes V divisé par ledit nombre d'ailettes B

étant choisi dans le groupe formé de 2,4, 1,5 et 8/3.