FR2987865A1

FR2987865A1 - Conception de caisson d'aube

Info

Publication number: FR2987865A1
Application number: FR1351951A
Authority: FR
Inventors: Loc Quang Duong; Xiaolan Hu; Nagamany Thayalakhandan; Gao Yang
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2013-09-13
Also published as: US8926289B2; US20130236326A1

Abstract

L'invention concerne une surface portante (8A, 8B, 8C, 8D) comprenant une aube (10A, 10B, 10C, 10D) comportant une alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) à l'intérieur et un ou plusieurs éléments (34A, 36A, 38A, 40A, 42A, 44A) disposés dans l'alvéole de caisson. Les un ou plusieurs éléments sont configurés pour perturber des oscillations de pression dans l'alvéole de caisson. Dans un autre mode de réalisation, une aube (10A, 10B, 10C, 10D) est divulguée comportant une première paroi (26A, 26B, 26C, 26D) et une seconde paroi (28A, 28B, 28C, 28D). La première paroi est disposée sur un côté aspiration de l'aube et la seconde paroi est disposée sur un côté pression de l'aube. La seconde paroi est reliée à la première paroi au niveau d'un bord d'attaque (18A, 18B, 18C, 18D) de l'aube. La première paroi et la seconde paroi forment conjointement une partie d'une alvéole de caisson et l'alvéole de caisson est disposée de façon asymétrique par rapport à une ligne de cambrure (16A, 16B, 16C, 16D) de l'aube.

Description

CONCEPTION DE CAISSON D'AUBE CONTEXTE Les turbines à gaz comprennent typiquement plusieurs étages comprenant un ventilateur, un compresseur, une chambre de 5 combustion et une turbine. Certains de ces étages utilisent des surfaces portantes tournantes avec des aubes façonnées agencées en série. Les aubes convertissent l'énergie thermique provenant du gaz brûlé en travail mécanique utilisé pour faire tourner un rotor. Les aubes positionnées à l'avant de la chambre de combustion sont 10 tournées par le rotor afin de comprimer l'air entrant dans la chambre de combustion. Des aubes, comprenant des aubes de turbine en particulier, peuvent utiliser une alvéole de caisson qui comprend une cavité d'alvéole qui s'étend radialement sur la longueur de l'aube. L'alvéole de 15 caisson crée une ouverture au niveau du bout de l'aube. L'alvéole de caisson est utilisée à des fins de rendement afin de réduire le poids de l'aube et de réduire le fluage de l'aube. Pendant le fonctionnement de la turbine à gaz, un écoulement d'air entre et sort de l'alvéole de caisson avec la rotation de l'aube en raison de la loi de conservation de 2 0 la masse. Pendant le fonctionnement de la turbine à gaz, les aubes ont une ou plusieurs fréquences harmoniques qui coïncident avec des multiples entiers de la fréquence de rotation des aubes (également dénommée la fréquence de passage des aubes). Si l'aube atteint une 25 de ces fréquences harmoniques, l'aube va s'exciter et vibrer. De plus, pendant le fonctionnement du moteur, diverses fréquences sources d'aéroexcitation peuvent être créées à mesure que l'air passe sur les composants de la turbine à gaz y compris l'aube. Ces fréquences sources peuvent être transmises à l'air, provoquant des oscillations de 30 pression de fluide instables, qui peuvent être transmises à l'aube. Si une fréquence de résonance d'aube coïncide avec une fréquence source d'aéroexcitation, une excitation se produit, provoquant des vibrations non souhaitées dans l'aube. L'écoulement de fuite de bout est créé par une différence de pression entre la pression au niveau de la surface de pression de 5 l'aube et la pression au niveau de la surface d'aspiration de l'aube. Ce phénomène est également vrai pour des aubes qui emploient l'alvéole de caisson. L'écoulement de fuite sur l'alvéole de caisson d'aube peut exciter et entretenir un mode aéroacoustique longitudinal conduisant à des fluctuations de pression dans l'alvéole de caisson et provoque la 10 génération d'un fort bruit de raie de niveaux élevés de pression acoustique. En plus de la génération de bruit, une aube employant l'alvéole de caisson va subir un phénomène de couplage aéroacoustiquemécanique si l'une des fréquences naturelles de l'aube coïncide avec 15 les fréquences d'oscillation de pression aéroacoustique en raison de l'air entrant et quittant l'alvéole de caisson. Si une telle coïncidence se produit, une force sur les parois de l'alvéole de caisson (provoquée par la pression acoustique dans la cavité le long de l'interface de paroi) fournit une énergie qui entretient les vibrations d'aube. En même 2 0 temps que les vibrations d'aube sont entretenues, le champ de pression acoustique dans la cavité est renforcé par des vibrations d'aube le long de l'interface de paroi de caisson. Suite à ces phénomènes, les aubes peuvent s'exciter, s'endommager ou tomber en panne (dans des cas extrêmes) en raison de la force de résonance. 25 Résumé Une surface portante comprend une aube comportant une alvéole de caisson à l'intérieur et un ou plusieurs éléments sont disposés dans l'alvéole de caisson. Les un ou plusieurs éléments sont 3 0 configurés pour perturber les oscillations de pression dans l'alvéole de caisson.

Les un ou plusieurs éléments peuvent comprendre des protubérances qui peuvent s'étendre depuis une première paroi d'aube dans l'alvéole de caisson. Les protubérances peuvent s'étendre à travers l'alvéole de 5 caisson et peuvent être reliées à une seconde paroi d'aube. A la fois la première paroi et une seconde paroi d'aube peuvent comporter des protubérances qui peuvent s'étendre dans l'alvéole de caisson. Les protubérances peuvent avoir une forme cylindrique creuse. 10 Les un ou plusieurs éléments peuvent être disposés en un réseau comportant au moins deux éléments. Le caisson peut comprendre deux réseaux ou plus. Le réseau peut comporter trois tiges agencées en forme triangulaire. 15 L'alvéole de caisson peut être disposée de façon asymétrique par rapport à une ligne de cambrure de l'aube. Dans un autre mode de réalisation, une aube comportant une première paroi et une seconde paroi est divulguée. La première paroi est disposée sur un côté aspiration de l'aube et la seconde paroi est 20 disposée sur un côté pression de l'aube. La seconde paroi est reliée à la première paroi au niveau d'un bord d'attaque de l'aube. La première paroi et la seconde paroi forment conjointement une partie d'une alvéole de caisson et l'alvéole de caisson est disposée de façon asymétrique par rapport à une ligne de cambrure de l'aube. 25 L'alvéole de caisson peut être en biais vers un côté aspiration de la ligne de cambrure de sorte qu'une première paroi de l'aube a une épaisseur qui peut différer d'une épaisseur de seconde paroi en un emplacement correspondant. L'alvéole de caisson peut être en biais vers un côté pression de 30 la ligne de cambrure de sorte qu'une première paroi de l'aube a une épaisseur qui peut différer d'une épaisseur de seconde paroi en un emplacement correspondant.

L'alvéole de caisson peut former un angle par rapport à la ligne de cambrure de sorte qu'une première paroi peut être plus épaisse adjacente au bord d'attaque qu'une seconde paroi. La première paroi de l'aube peut avoir une épaisseur en augmentation suivant la longueur axiale de l'alvéole de caisson de l'avant vers l'arrière et la seconde paroi peut avoir une épaisseur en diminution suivant la longueur axiale de l'alvéole de caisson de l'avant vers l'arrière. L'aube peut en outre comprendre un ou plusieurs éléments 10 disposés dans l'alvéole de caisson, où les un ou plusieurs éléments peuvent être configurés pour perturber des oscillations de pression dans l'alvéole de caisson. Encore un autre mode de réalisation comprend un procédé de création d'une surface portante. Le procédé comprend la conception 15 d'une surface portante avec une aube comportant une alvéole de caisson à l'intérieur, la réalisation d'au moins l'une d'une analyse de couplage aéroacoustique et aéroacoustique-mécanique sur l'aube, la modification de l'aube basée sur l'analyse de couplage aéroacoustique et/ou aéroacoustique-mécanique afin d'avoir l'alvéole de caisson 2 0 disposée de façon asymétrique par rapport à une ligne de cambrure de l'aube et/ou un ou plusieurs éléments disposés dans l'alvéole de caisson qui sont configurés pour perturber des oscillations de pression dans l'alvéole de caisson, et la fabrication de l'aube telle que modifiée et conçue. 2 5 L'étape de réalisation d'au moins l'une d'une analyse de couplage aéroacoustique et d'une analyse de couplage aéroacoustiquemécanique sur l'aube peut comprendre la détermination d'un champ d'écoulement de l'alvéole de caisson et la réalisation d'une analyse modale d'aube afin de déterminer une fréquence naturelle de l'aube. 30 L'étape de réalisation de l'analyse de couplage aéroacoustique et de l'analyse de couplage aéroacoustique-mécanique sur l'aube peut comprendre la détermination d'un champ d'écoulement à l'extérieur de l'alvéole de caisson adjacente au bout d'aube. L'étape de modification de l'aube basée sur au moins l'une de l'analyse de couplage aéroacoustique et de l'analyse de couplage aéroacoustique-mécanique peut comprendre la sélection d'au moins l'un d'une taille, d'une forme, d'un nombre et d'un emplacement des un ou plusieurs éléments et l'agencement des un ou plusieurs éléments en un motif souhaité dans l'alvéole de caisson. Les étapes de conception de l'aube, de réalisation d'au moins l'une de l'analyse de couplage aéroacoustique et de l'analyse de couplage aéroacoustique-mécanique sur l'aube, et la modification de l'aube peuvent être réalisées de façon électronique en utilisant un modèle logiciel.

Brève description des dessins La figure lA est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation d'une surface portante pour turbine à gaz comprenant une alvéole de caisson symétrique avec des parois de sensiblement la même épaisseur suivant une longueur de l'alvéole de caisson.

La figure 1B est une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation de la surface portante comprenant une alvéole de caisson asymétrique afin de prévoir une paroi plus mince adjacente au côté pression de la surface portante. La figure 1C est une vue en perspective d'un troisième mode de 2 5 réalisation de la surface portante comprenant une alvéole de caisson asymétrique afin de prévoir une paroi plus mince adjacente au côté aspiration de la surface portante. La figure 1D est une vue en perspective d'un quatrième mode de réalisation de la surface portante comprenant une alvéole de caisson 3 0 asymétrique formée par une épaisseur de paroi variable le long d'une ligne de cambrure de la surface portante.

La figure 2 est une vue en coupe de la surface portante de la figure lA représentant l'intérieur de l'alvéole de caisson qui comprend une pluralité de protubérances à l'intérieur. La figure 2A est une vue latérale de l'alvéole de caisson de la surface portante de la figure 2 représentant des réseaux d'une pluralité de protubérances. La figure 3 est un organigramme d'un procédé de création d'une surface portante comprenant une alvéole de caisson. 10 Description détaillée Approche et formulations de modèle En général, l'équation aéroacoustique-mécanique de mouvement d'aube type est exprimée dans l'équation (1) comme suit : [TA] = [C]{x'} + [K]{x} = P(t) (1) 15 où : {x} = déplacement structurel, [M] = matrice de masse structurelle, [C] = matrice d'atténuation structurelle, [K] = matrice de masse structurelle et P(t) = force d'excitation aéroacoustique. Afin d'évaluer la réponse de l'aube à la source d'excitation, un modèle modal réduit est nécessaire. L'équation (2) exprime x(t) en tant 2 0 que combinaison linéaire d'un nombre limité de formes de mode orthogonal : X(t) = :k4k qk = [0] où : (1) sont des modes normaux et q sont des coordonnées normales ou modales. 2 5 En négligeant les effets d'atténuation, l'équation (1) peut être réécrite en tant qu'équation (3) : [I]{q"} + [cos2]{q} = [(1)]T {p(oy) (3) où G)i est la fréquence naturelle d'aube, et cag est la fréquence d'excitation.

Avec ce système découplé réduit, la réponse de chaque mode d'aube à la source d'excitation peut être évaluée indépendamment. Une résonance se produit lorsque la condition suivante est satisfaite dans l'équation (4) : Wi = tog (4) Dans le contexte d'un écoulement sur l'alvéole de caisson qui comprend des phénomènes de couplage aéroacoustique, cog représente la fréquence d'oscillation de pression acoustique dans l'alvéole de caisson.

Pour une simple cavité rectangulaire, la relation entre la vitesse d'écoulement en termes de nombre Mach, géométrie de cavité et fréquence naturelle de cavité peut être exprimée par la corrélation suivante exprimée dans l'équation (5) : St = ) (5) où : St est le nombre de Strouhal (un paramètre sans dimension), f est la fréquence naturelle de cavité, L est la longueur de cavité et Uce est la vitesse d'écoulement à l'extrémité de cavité ouverte. L'alvéole de caisson de l'aube aura un certain nombre de fréquences acoustiques naturelles. En raison de la complexité de la 2 0 géométrie de l'alvéole de caisson, une dynamique de fluide numérique est utilisée pour estimer les fréquences acoustiques naturelles de l'alvéole de caisson. Une résonance acoustique se produit lorsqu'un écoulement de fuite de bout crée une oscillation de pression acoustique générant un bruit de raie. De plus, un phénomène de 2 5 couplage aéroacoustique-mécanique va se produire, générant des vibrations dans l'aube lorsque la fréquence d'oscillation de pression acoustique coïncide avec la fréquence naturelle d'aube telle que décrite par l'équation (4). Cela signifie que la force sur les parois de caisson d'aube, provoquée par une pression acoustique dans la cavité le long 3 0 de l'interface de paroi, fournit une énergie qui entretient les vibrations d'aube. En même temps, le champ de pression acoustique dans la cavité est renforcé par les vibrations d'aube le long de l'interface de paroi de caisson. Conclusions A partir des équations ci-dessus, il est évident que la survenue de phénomènes de couplage aéroacoustique dépend de nombreuses variables incluant la structure d'aube (masse, épaisseur, rigidité), la vitesse d'écoulement et des oscillations de pression. La présente invention décrit divers appareils et procédés de réduction de la probabilité d'apparition de phénomènes de couplage aéroacoustique se produisant pour une aube avec une alvéole de caisson. Plus particulièrement, les modes de réalisation de l'invention utilisent une ou plusieurs protubérances disposées dans l'alvéole de caisson de l'aube qui servent à perturber des oscillations de pression dans l'alvéole de caisson afin d'affaiblir ou de découpler l'interaction aéroacoustique en modifiant le champ de pression dans l'aube en perturbant l'écoulement (c'est-à-dire, en forçant l'écoulement autour ou dans les éléments). En outre, des modes de réalisation de l'invention utilisent une cavité de caisson qui est asymétrique par 2 0 rapport à une ligne de cambrure de l'aube. Un tel agencement modifie la masse/rigidité de l'aube, déplaçant ou déréglant ainsi la fréquence naturelle de la cavité de caisson et d'aube de la fréquence d'oscillation de pression acoustique. Plus particulièrement, l'aube peut être réglée à des anti-noeuds 25 d'aube comme discuté de façon plus approfondie dans les publications de demande de brevet des Etats-Unis 2010/0 278 632 A et 2010/0278 633 A, qui sont incorporées ici en référence. Le réglage est réalisé en modifiant la rigidité/masse (c'est-à-dire l'épaisseur de paroi) à un ou plusieurs anti-noeuds d'aube. L'augmentation de la masse à 3 0 l'anti-noeud d'aube diminue la fréquence naturelle, et la diminution de la masse à l'anti-noeud d'aube augmente la fréquence naturelle. L'épaisseur de paroi en raison de la géométrie d'alvéole de caisson peut être modifiée jusqu'à ce que la fréquence naturelle des formes du mode résonant d'aube qui ont des interférences soit sortie de la fréquence d'oscillation de pression acoustique attendue et/ou de la fréquence d'aéroexcitation. L'épaisseur de paroi en raison de la géométrie d'alvéole de caisson peut être en outre modifiée afin d'augmenter encore une plage de fonctionnement sensiblement exempte de résonance. Si un réglage supplémentaire est souhaité, la géométrie d'alvéole de caisson peut être modifiée sur un ou plusieurs anti-noeuds d'aube supplémentaires jusqu'à ce l'aube n'ait pas de fréquences naturelles qui s'excitent à la fréquence d'oscillation de pression acoustique attendue et/ou à la fréquence d'aéroexcitation. La fréquence naturelle des formes du mode résonant d'aube peut être modélisée en utilisant une méthode d'éléments finis.

Avantages L'invention empêche les aubes de subir un couplage aéroacoustique et aéroacoustique-mécanique ou réduit ce couplage. Ainsi, la durabilité de l'aube est augmentée et la probabilité de défaillance catastrophique en raison d'une fatigue élevée de cycle est 2 0 nettement réduite. En outre, la présente invention sert à arrêter ou réduire la génération d'un fort bruit de raie de niveau élevé de pression acoustique. Modes de réalisation 25 La figure lA représente un premier mode de réalisation d'une surface portante 8A de turbine à gaz comprenant une aube 10A, un bout d'aube 12A et une alvéole de caisson 14A qui est disposée de façon symétrique par rapport à une ligne de cambrure 16A de l'aube 10A. L'aube 10A comprend un bord d'attaque 18A, un bord de 30 fuite 20A, une surface de pression 22A et une surface d'aspiration 24A. Du fait que l'alvéole de caisson 14A est disposée de façon symétrique par rapport à la ligne de cambrure 16A, une première paroi 26A de l'aube 1OA a sensiblement la même épaisseur qu'une seconde paroi 28A. L'aube 1OA comprend un premier antinoeud 30A et un second anti-noeud 32A. L'écoulement d'air A est illustré passant par-dessus le bout d'aube 12A et la cavité de caisson 14A. La surface portante 8A de la figure lA est de conception classique et comprend une aube 1OA s'étendant vers l'extérieur depuis une section de plate-forme (non numérotée) et une emplanture (non numérotée) jusqu'à un bout d'aube 12A. Lorsqu'il est installé, le bout d'aube 12A est disposé adjacent au carter de stator de turbine à gaz (non représenté). L'alvéole de caisson 14A s'étend dans l'aube 1OA depuis le bout d'aube 12A. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1A, l'alvéole de caisson 14A est symétrique par rapport à la ligne de cambrure 16A de l'aube 1OA. Ainsi, l'alvéole de caisson 14A chevauche et est bifurquée par la ligne de cambrure 16A, est disposée adjacente au bord d'attaque 18A dans une région plus épaisse de l'aube 1OA, et est sensiblement équidistante de la surface de pression 22A et de la surface d'aspiration 24A de l'aube 1OA. L'aube 1OA s'étend depuis le bord d'attaque 18A le long de la 2 0 surface de pression concave 22A et le long de la surface d'aspiration convexe 24A vers le bord de fuite 20A. A des fins de référence, la ligne de cambrure 16A s'étend le long du bout d'aube 12A depuis le bord d'attaque 18A et jusqu'au bord de fuite 20A. L'alvéole de caisson 14A est séparée de l'extérieur de l'aube 1OA et de la surface de 2 5 pression 22A par la première paroi 26A. De même, l'alvéole de caisson 14A est séparée de l'extérieur de l'aube 1OA et de la surface d'aspiration 24A par la seconde paroi 28A. Du fait que l'alvéole de caisson 14A est symétrique par rapport à la ligne de cambrure 16A, la première paroi 26A a sensiblement la même épaisseur (Ti T2) que la 3 0 seconde paroi 28A le long d'une étendue correspondante d'alvéole de caisson 14A.

Deux de nombreux anti-noeuds possibles d'aube 1OA sont représentés sur la figure 1A. Un premier anti-noeud 30A et un second and-noeud 32a sont des points de déflexion la plus grande si une vibration harmonique se produisait dans l'aube 1OA. L'emplacement 5 des anti-noeuds 30A et 32A peut être déterminé par l'intermédiaire de solutions de valeur propre, d'une manière connue dans l'art. Du fait que la construction et le fonctionnement de turbines à gaz sont connus dans l'art, les turbines à gaz ne seront pas discutées dans le détail. Puisque l'aube 1OA est représentée comme un 10 composant séparé détachable d'un rotor (non représenté), dans d'autres modes de réalisation la surface portante peut être intégrée avec le rotor. Bien que décrite en référence à une surface portante de turbine, dans d'autres modes de réalisation, l'aube 1OA peut être utilisée dans le compresseur ou un autre étage de la turbine à gaz. 15 La figure 1B est une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation d'une surface portante 8B de turbine à gaz comprenant une aube 10B, un bout d'aube 12B, et une alvéole de caisson 14B qui est disposée de façon asymétrique par rapport à une ligne de cambrure 16B afin d'être disposée plus près d'une surface de 20 pression 22B d'aube 10B qu'une surface d'aspiration 24B. En plus de la surface de pression 22B et de la surface d'aspiration 24B, l'aube 10B comprend un bord d'attaque 18B et un bord de fuite 20B. Du fait que l'alvéole de caisson 14B est disposée de façon asymétrique par rapport à la ligne de cambrure 16B, une première paroi 26B de 2 5 l'aube 10B a une épaisseur Ti qui diffère d'une épaisseur correspondante T2 de seconde paroi 28B en un emplacement sensiblement similaire par rapport à la ligne de cambrure 16B. L'aube 10B comprend un premier anti-noeud 30B et un second and-noeud 32B. L'écoulement d'air A est illustré passant par-dessus le 30 bout d'aube 12B et la cavité de caisson 14B. L'alvéole de caisson 14B comprend une cavité qui s'étend dans l'aube 10B depuis le bout d'aube 12B. L'aube 10B s'étend depuis le bord d'attaque 18B le long de la surface de pression concave 22B et le long de la surface d'aspiration convexe 24B jusqu'au bord de fuite 20B. A des fins de référence, la ligne de cambrure 16B s'étend le long d'un bout d'aube 12B depuis le bord d'attaque 18B vers le bord de fuite 20B. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1B, l'alvéole de caisson 14B est asymétrique par rapport à la ligne de cambrure 16B de l'aube 10B. Ainsi, l'alvéole de caisson 14B est en biais vers le côté pression de la ligne de cambrure 16B. Cette configuration dispose l'alvéole de caisson 14B plus près de la surface de pression 22B que de la surface d'aspiration 24B. L'alvéole de caisson 14B est séparée de l'extérieur de l'aube 10B et de la surface de pression 22B par la première paroi 26B. De même, l'alvéole de caisson 14B est séparée de l'extérieur de l'aube 10B et de la surface d'aspiration 24B par la seconde paroi 28B. Du fait que l'alvéole de caisson 14B est asymétrique par rapport à la ligne de cambrure 16B, la première paroi 26B est d'une épaisseur plus mince (Ti < T2) que la seconde paroi 28B le long d'une étendue correspondante d'alvéole de caisson 14B. La figure 1B représente le premier anti-noeud 30B et le second anti-noeud 32B, qui sont des points de déflexion la plus grande si une vibration harmonique se produisait dans l'aube 10B. La taille et l'emplacement d'un ou plusieurs anti-noeuds 30B et 32B sont déplacés par rapport à ceux des anti-noeuds 30A et 32A (figure 1A). Ce déplacement est dû à la différence d'emplacement de l'alvéole de caisson 14B par rapport à l'alvéole de caisson 14A (figure 1A). En déplaçant l'alvéole de caisson 14B, l'épaisseur (rigidité) de la seconde paroi 28B est modifiée et la rigidité de la première paroi 26B est également modifiée. Ce changement de masse/épaisseur affecte les fréquences harmoniques de l'alvéole de caisson 14B et de l'aube 10B, qui sont décalées de la fréquence d'oscillation de pression acoustique attendue afin de réduire ou d'éliminer le couplage aéroacoustique et/ou aéroacoustique-mécanique de l'aube 10B.

La figure 1C représente un troisième mode de réalisation d'une surface portante 8C de turbine à gaz comprenant une aube 1OC, un bout d'aube 12C, et une alvéole de caisson 14C qui est disposée de façon asymétrique par rapport à une ligne de cambrure 16C vers la 5 surface d'aspiration 24C de l'aube 1OC. L'aube 1OC comprend un bord d'attaque 18C, un bord de fuite 20C, une surface de pression 22C et une surface d'aspiration 24C. Du fait que l'alvéole de caisson 14C est insérée de façon asymétrique par rapport à la ligne de cambrure 16C, une première paroi 26C de l'aube 1OC a une épaisseur Ti supérieure à 10 une épaisseur T2 correspondante d'une seconde paroi 28C à un emplacement sensiblement similaire par rapport à la ligne de cambrure 16C. L'aube 1OC comprend un premier anti-noeud 30C et un second anti-noeud 32C. L'écoulement d'air A est illustré passant par-dessus le bout d'aube 12C et l'alvéole de caisson 14C. 15 L'alvéole de caisson 14C s'étend dans l'aube 1OC depuis le bout d'aube 12C. L'aube 1OC s'étend depuis le bord d'attaque 18C le long d'une surface de pression concave 22C et le long d'une surface d'aspiration convexe 24C vers le bord de fuite 20C. A des fins de référence, la ligne de cambrure 16C s'étend le long du bout 20 d'aube 12C depuis le bord d'attaque 18C jusqu'au bord de fuite 20C. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1C, une alvéole de caisson 14C est asymétrique par rapport à la ligne de cambrure 16C de l'aube 1OC. Ainsi, l'alvéole de caisson 14C est en biais ver le côté aspiration de la ligne de cambrure 16C. Cette configuration dispose 2 5 l'alvéole de caisson 14C plus près de la surface d'aspiration 24C que de la surface de pression 22C. L'alvéole de caisson 14C est séparée de l'extérieur de l'aube 1OC et de la surface de pression 22C par une première paroi 26C. De même, l'alvéole de caisson 14C est séparée de l'extérieur de l'aube 1OC 3 0 et de la surface d'aspiration 24C par une seconde paroi 28C. Du fait que l'alvéole de caisson 14C est asymétrique par rapport à la ligne de cambrure 16C, la première paroi 26C est d'épaisseur plus épaisse (Ti > T2) qu'une seconde paroi 28C le long d'une étendue correspondante de l'alvéole de caisson 14C. La figure 1C représente un premier anti-noeud 30 et un second anti-noeud 32C, qui sont des points de déflexion la plus grande si une vibration harmonique se produisait dans l'aube 1OC. La taille et l'emplacement d'un ou plusieurs anti-noeuds 30C et 32C ont été déplacés par rapport à ceux des anti-noeuds 30A et 32A (figure 1A). Ce déplacement est dû à la différence d'emplacement de l'alvéole de caisson 14C par rapport à l'alvéole de caisson 14A (figure 1A). En déplaçant l'alvéole de caisson 14C, l'épaisseur (rigidité) de la seconde paroi 28C est modifiée et la rigidité de la première paroi 26C est également modifiée. Ce changement de masse/épaisseur affecte les fréquences harmoniques de l'alvéole de caisson 14C et l'aube 1OC, qui sont décalées de la fréquence d'oscillation de pression acoustique attendue afin de réduire ou d'éliminer le couplage aéroacoustique et/ou aéroacoustique-mécanique de l'aube 1OC. La figure 1D représente un quatrième mode de réalisation d'une surface portante 8D d'une turbine à gaz comprenant une aube 10D, un bout d'aube 12D, et une alvéole de caisson 14D qui est disposée de façon asymétrique par rapport à une ligne de cambrure 16D de sorte que l'alvéole de caisson 14D forme un angle par rapport à la ligne de cambrure 16D. L'aube 1OD comprend un bord d'attaque 18D, un bord de fuite 20D, une surface de pression 22D et une surface d'aspiration 24D. Du fait que l'alvéole de caisson 14D est disposée de façon asymétrique par rapport à la ligne de cambrure 16D, une première paroi 26D de l'aube 1OD a une épaisseur en augmentation suivant la longueur axiale de l'alvéole de caisson 14D de l'avant vers l'arrière et une seconde paroi 28D a une épaisseur en diminution suivant la longueur axiale de l'alvéole de caisson 14D. En particulier, la première paroi 26D a une épaisseur Ti moindre adjacente au bord d'attaque 18D qu'à l'arrière près d'un bord de terminaison de fuite d'alvéole de caisson 14D. De même, une épaisseur T2 correspondante d'une seconde paroi 28D est plus grande près du bord d'attaque 18D et diminue d'épaisseur en se déplaçant vers l'arrière le long de l'alvéole de caisson 14D. Ainsi, la seconde paroi 28D a une épaisseur en diminution suivant la longueur d'une alvéole de caisson 14D de l'avant vers l'arrière. L'aube 1OD comprend un premier anti-noeud 30D et un second anti-noeud 32D. L'écoulement d'air A est illustré passant pardessus le bout d'aube 12D et l'alvéole de caisson 14D. L'alvéole de caisson 14D s'étend dans l'aube 1OD depuis le bout d'aube 12D. L'aube 1OD s'étend depuis le bord d'attaque 18D le long de la surface de pression concave 22D et le long de la surface d'aspiration convexe 24D vers le bord de fuite 20D. A des fins de référence, la ligne de cambrure 16D s'étend le long du bout d'aube 12D depuis le bord d'attaque 18D vers le bord de fuite 20D. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1D, l'alvéole de caisson 14D est asymétrique par rapport à la ligne de cambrure 16D de l'aube 1OD. Ainsi, l'alvéole de caisson 14D crée une paroi 26D avec une épaisseur en augmentation de l'avant vers l'arrière et crée une paroi 28D avec une épaisseur en diminution de l'avant vers l'arrière. Cette configuration dispose l'alvéole de caisson 14D à un angle décalé 2 0 par rapport la ligne de cambrure 16D au lieu de la disposer bifurquée par la ligne de cambrure comme représenté dans le mode de réalisation de la figure lA ou décalée de la ligne de cambrure comme représenté dans les modes de réalisation des figures 1B et 1C. L'alvéole de caisson 14D est séparée de l'extérieur de l'aube 1OD 2 5 et de la surface de pression 22D par une première paroi 26D. De même, l'alvéole de caisson 14D est séparée de l'extérieur de l'aube 1OD et de la surface d'aspiration 24D par une seconde paroi 28 D. Du fait que l'alvéole de caisson 14D est asymétrique par rapport à la ligne de cambrure 16D (c'est-à-dire disposée en formant un angle avec celle-ci), 30 la première paroi 26C est plus épaisse adjacente au bord d'attaque 18D que la seconde paroi 28D en un emplacement sensiblement similaire par rapport à la ligne de cambrure 16C. La première paroi 26D diminue d'épaisseur T1 le long de l'alvéole de caisson 14D de l'avant vers l'arrière. La seconde paroi 28D augmente d'épaisseur T2 le long de l'alvéole de caisson 14D de l'avant vers l'arrière. Ainsi, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1D, au niveau d'une portion arrière de l'alvéole de caisson 14D, l'épaisseur de la seconde paroi 28D est inférieure à l'épaisseur de la première paroi 26D (T2 < Ti). La figure 1D représente un premier anti-noeud 30D et un second anti-noeud 32D, qui sont des points de déflexion la plus grande si une vibration harmonique se produisait dans l'aube 10C. La taille et l'emplacement d'un ou plusieurs anti-noeuds 30D et 32D ont été déplacés par rapport à ceux des anti-noeuds 30A et 32A (figure 1A). Ce déplacement est dû à la différence d'emplacement de l'alvéole de caisson 14D par rapport à l'alvéole de caisson 14A (figure 1A). En déplaçant l'alvéole de caisson 14D, l'épaisseur (rigidité) de la seconde paroi 28D est modifiée et l'épaisseur de la première paroi 26D est également modifiée. Ce changement de masse/épaisseur affecte les fréquences harmoniques de l'alvéole de caisson 14D et de l'aube 1OD, qui sont décalées de la fréquence d'oscillation de pression acoustique 2 0 attendue afin de réduire ou d'éliminer le couplage aéroacoustiquemécanique de l'aube 1OD. La figure 2 représente une vue en coupe de la surface portante 8A de la figure lA représentant l'intérieur de l'alvéole de caisson 14A. La figure 2A représente une vue latérale de l'alvéole de 2 5 caisson 14A. L'aube 10A comprend une pluralité d'éléments 34A, 36A, 38A, 40A, 42A et 44A s'étendant depuis la seconde paroi 28D. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 2A, les éléments 34A, 36A, 38A, 40A, 42A et 44A sont agencés sur un premier réseau 46A et un second réseau 48A. 30 Bien qu'illustrée en référence à l'alvéole de caisson symétrique 14A, l'invention est également applicable à la configuration d'alvéole de caisson asymétrique comprenant les modes de réalisation représentés sur les figures 1B à 1D. Bien qu'illustrés comme des protubérances de type tige sur les figures 2 et 2A, les éléments 34A, 36A, 38A, 40A, 42A et 44A peuvent avoir des formes en coupe différentes telles qu'une forme ovale ou une section carrée. Comme 5 représenté sur la figure 2A, les éléments 40A, 42A et 44A peuvent avoir une section creuse. En effet, les protubérances peuvent comprendre un élément de toute forme, y compris une forme de cuvette, qui est capable de perturber des oscillations de pression dans l'alvéole de caisson 14A afin d'affaiblir ou de découpler l'interaction 10 aéroacoustique. Les éléments 34A, 36A, 38A, 40A, 42A et 44A s'étendent depuis la seconde paroi 28A de l'alvéole de caisson 14A. Dans un mode de réalisation, les éléments 34A, 36A, 38A, 40A, 42A et 44A s'étendent à travers la totalité du caisson 14A afin d'entrer en contact avec la 15 première paroi 26A (figures lA à 1D). En variante, les éléments 34A, 36A, 38A, 40A, 42A et 44A peuvent s'étendre seulement sur une partie de la distance à travers l'alvéole de caisson 14A afin de perturber les oscillations de pression. De même que la seconde paroi 28A, la première paroi 26A (non représentée) peut comporter un ou plusieurs 20 réseaux d'éléments. Ceux-ci peuvent correspondre aux éléments sur la seconde paroi 28A oui être situés à un emplacement différent des éléments sur la seconde paroi 28A. Dans un mode de réalisation, les éléments 34A, 36A, 38A, 40A, 42A et 44A peuvent être réalisés du même matériau que l'aube 12A ou d'un matériau avec un coefficient 25 de dilatation thermique équivalent mais de masse volumique inférieure à l'aube 12A. L'emplacement de chaque protubérance 34A, 36A, 38A, 40A, 42A et 44A et des réseaux 46A et 48A est déterminé à partir d'une analyse de dynamique de fluide numérique (CFD). La longueur 30 axiale Lo correspond au premier réseau 46A. Lo représente la longueur axiale depuis le bord d'attaque 50A de la cavité de caisson 14A jusqu'à l'emplacement où une interaction dominante entre la couche de cisaillement d'écoulement non perturbé et l'oscillation de pression de cavité se produit. La longueur axiale Lit correspond au second réseau 48A et représente la longueur axiale depuis le bord d'attaque 50A de la cavité de caisson 14A jusqu'à l'emplacement où l'interaction dominante entre la couche de cisaillement d'écoulement non perturbé et l'oscillation de pression de cavité se produit. Les premier et second réseaux 46A et 48A sont illustrés comme comprenant trois jeux de protubérances chacun. En particulier, le premier réseau 46A comprend les éléments 34A, 36A et 38A. Le second réseau 48A comprend les éléments 40A, 42A et 44A. Bien qu'agencés sous forme généralement triangulaire sur les figures 2 et 2A, les premier et second réseaux 46A et 48A (et tout réseau supplémentaire) peuvent être configurés sous toute forme d'agencement particulière.

De même, les diamètres des éléments 34A, 36A, 38A, 40A, 42A et 44A peuvent être de tailles différentes. Le diamètre des éléments 34A, 36A, 38A, 40A, 42A et 44A peut être calculé en utilisant une analyse CFD, de sorte que l'interruption de pression verticale maximale est obtenue. Bien que toutes les protubérances soient illustrées comme ayant une forme cylindrique, les protubérances peuvent avoir diverses formes en coupe différentes les unes des autres dans d'autres modes de réalisation. Les distances (hr2) entre les premier et second réseaux 46A et 48A (et tout réseau supplémentaire) et entre les éléments 34A, 36A, 25 38A, 40A, 42A et 44A peuvent être déterminées par analyse CFD. De même, les distances (hi, h2, Li, L2) entre les éléments 34A, 36A, 38A, 40A, 42A et 44A dans le même réseau peuvent être déterminées à partir de l'analyse CFD. Selon la résistance d'interaction aéroacoustique et selon également le volume de l'alvéole de 30 caisson 14A, de multiples réseaux peuvent être utilisés dans la direction de corde d'aube et/ou peuvent être utilisés plus profondément dans le caisson à distance du bout d'aube 12A.

La figure 3A représente un organigramme d'un procédé de création d'une surface portante (telle que la surface portante 8A de la figure 1A) comprenant une alvéole de caisson. Le procédé commence à l'étape 100 par la conception d'une surface portante 8A avec l'aube 10A comportant l'alvéole de caisson 14A à l'intérieur. A l'étape 100, la surface portante 8A peut être fabriquée physiquement, ou un modèle électronique de surface portante 8A peut être créé. Le procédé se poursuit jusqu'à l'étape 102 où une analyse de couplage aéroacoustique et/ou aéroacoustique-mécanique est réalisée sur 10 l'aube 10A. Dans les modes de réalisation décrits, l'analyse de couplage aéroacoustique et l'analyse de couplage aéroacoustique- mécanique comprennent la détermination d'un champ d'écoulement de l'alvéole de caisson 14A en utilisant un logiciel CFD. De même, une analyse CFD peut être utilisée pour déterminer un champ 15 d'écoulement à l'extérieur de l'alvéole de caisson 14A adjacent au bout d'aube 12A. L'analyse de couplage aéroacoustique et l'analyse de couplage aéroacoustique-mécanique de l'étape 102 peuvent également comprendre la réalisation d'une analyse modale d'aube afin de déterminer une fréquence naturelle de l'aube en utilisant une méthode 20 d'éléments finis. A l'étape 104, l'aube 10A est modifiée sur la base de l'analyse de couplage aéroacoustique et/ou l'analyse de couplage aéroacoustique- mécanique de l'étape 102. Si des phénomènes de couplage aéroacoustique et/ou des phénomènes de couplage aéroacoustique- 25 mécanique sont déterminés comme étant susceptibles de se produire, l'aube 10A est modifiée pour : (1) disposer l'alvéole de caisson de façon asymétrique par rapport à une ligne de cambrure 16A de l'aube, (2) disposer un ou plusieurs éléments (par exemple, les éléments 34A, 36A, 38A, 40A, 42A et 44A des figures 2 et 2A) dans l'alvéole de 30 caisson 14A afin de perturber les oscillations de pression dans l'alvéole de caisson, (3) ou incorporer à la fois les modes de réalisation (1) et (2). Les un ou plusieurs éléments peuvent être modifiés sur la base d'une sélection d'au moins l'un d'une taille, d'une forme, d'un nombre et d'un emplacement des un ou plusieurs éléments. Les un et plusieurs éléments sont de plus agencés en un motif souhaité dans l'alvéole de caisson 14A. A l'étape 106, l'aube 10A est fabriquée telle que modifiée et conçue en utilisant des techniques telles que le forgeage et l'usinage. Bien que l'invention ait été décrite en référence à un ou des exemples de mode de réalisation, l'homme du métier comprendra que divers changements peuvent être réalisés et que des équivalents peuvent être substitués à des éléments de ceux-ci sans s'éloigner de la portée de l'invention. De plus, de nombreuses modifications peuvent être apportées pour adapter une situation ou un matériau particulier aux enseignements de l'invention sans s'éloigner de la portée essentielle de celle-ci. Par conséquent, l'invention n'est pas destinée à être limitée au(x) mode(s) de réalisation particulier(s) divulgué(s), mais l'invention comprendra tous les modes de réalisation relevant de la portée des revendications annexées.

Claims

REVENDICATIONS1. Surface portante (8A, 8B, 8C, 8D) comprenant : une aube (10A, 10B, 10C, 10D) comportant une alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) à l'intérieur ; et un ou plusieurs éléments (34A, 36A, 38A, 40A, 42A, 44A) disposés dans l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D), dans laquelle les un ou plusieurs éléments (34A, 36A, 38A, 40A, 42A, 44A) sont configurés pour perturber des oscillations de pression dans l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D).
2. Surface portante selon la revendication 1, dans laquelle les un ou plusieurs éléments (34A, 36A, 38A, 40A, 42A, 44A) comprennent des protubérances qui s'étendent depuis une première paroi d'aube (26A, 26B, 26C, 26D) dans l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D).
3. Surface portante selon la revendication 2, dans laquelle les protubérances s'étendent à travers l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) et sont reliées à une seconde paroi d'aube (28A, 28B, 28C, 28D).
4. Surface portante selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle à la fois la première paroi (26A, 26B, 26C, 26D) et une seconde paroi d'aube (28A, 28B, 28C, 28D) comportent des protubérances qui s'étendent dans l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D).
5. Surface portante selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle les protubérances ont une forme cylindrique creuse.
6. Surface portante selon l'une quelconque des revendications 1 30 à 5, dans laquelle les un ou plusieurs éléments (34A, 36A, 38A, 40A, 2542A, 44A) sont disposés en un réseau comportant au moins deux éléments.
7. Surface portante selon la revendication 5, dans laquelle 5 l'alvéole comprend deux réseaux ou plus (46A, 48A).
8. Surface portante selon la revendication 5, dans laquelle le réseau (46A, 48A) comporte trois tiges agencées en forme triangulaire. 10
9. Surface portante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) est disposée de façon asymétrique par rapport à une ligne de cambrure (16A, 16B, 16C, 16D) de l'aube (1OA, 10B, 1OC, 10D). 15
10. Aube (1OA, 10B, 1OC, 1OD) comprenant : une première paroi (26A, 26B, 26C, 26D) disposée sur un côté aspiration de l'aube (1OA, 10B, 1OC, 1OD) ; et une seconde paroi (28A, 28B, 28C, 28D) disposée sur un côté pression de l'aube (1OA, 10B, 1OC, 1OD) et reliée à la première 20 paroi (26A, 26B, 26C, 26D) au niveau d'un bord d'attaque (18A, 18B, 18C, 18D) de l'aube ; dans laquelle la première paroi (26A, 26B, 26C, 26D) et la seconde paroi (28A, 28B, 28C, 28D) forment conjointement une partie d'une alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D), et 25 dans laquelle l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) est disposée de façon asymétrique par rapport à une ligne de cambrure (16A, 16B, 16C, 16D) de l'aube.
11. Aube selon la revendication 10, dans laquelle l'alvéole de 30 caisson (14A, 14B, 14C, 14D) est en biais vers un côté aspiration de la ligne de cambrure (16A, 16B, 16C, 16D) de sorte qu'une première paroi (26A, 26B, 26C, 26D) de l'aube a une épaisseur qui diffère d'uneépaisseur de seconde paroi (28A, 28B, 28C, 28D) en un emplacement correspondant.
12. Aube selon la revendication 10 ou 11, dans laquelle l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) est en biais vers un côté pression de la ligne de cambrure (16A, 16B, 16C, 16D) de sorte qu'une première paroi (26A, 26B, 26C, 26D) de l'aube a une épaisseur qui diffère d'une épaisseur de seconde paroi (28A, 28B, 28C, 28D) en un emplacement correspondant.
13. Aube selon la revendication 10 ou 11, dans laquelle l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) forme un angle par rapport à la ligne de cambrure (16A, 16B, 16C, 16D) de sorte qu'une première paroi (26A, 26B, 26C, 26D) est plus épaisse adjacente au bord d'attaque (18A, 18B, 18C, 18D) qu'une seconde paroi (28A, 28B, 28C, 28D).
14. Aube selon la revendication 13, dans laquelle la première paroi (26A, 26B, 26C, 26D) de l'aube a une épaisseur en augmentation 2 0 suivant la longueur axiale de l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) de l'avant vers l'arrière et la seconde paroi (28A, 28B, 28C, 28D) a une épaisseur en diminution suivant la longueur axiale de l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) de l'avant vers l'arrière. 2 5
15. Aube selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, et comprenant en outre un ou plusieurs éléments (34A, 36A, 38A, 40A, 42A, 44A) disposés dans l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D), dans laquelle les un ou plusieurs éléments (34A, 36A, 38A, 40A, 42A, 44A) sont configurés pour perturber des oscillations de pression dans 3 0 l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D).
16. Procédé de création d'une surface portante (8A, 8B, 8C, 8D), le procédé comprenant : la conception d'une surface portante (8A, 8B, 8C, 8D) avec une aube (1OA, 10B, 1OC, 1OD) comportant une alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) à l'intérieur ; la réalisation d'au moins l'une d'une analyse de couplage aéroacoustique ou d'une analyse de couplage aéroacoustiquemécanique sur l'aube (1OA, 10B, 1OC, 10D) ; la modification de l'aube (1OA, 10B, 1OC, 1OD) basée sur au 10 moins l'une de l'analyse de couplage aéroacoustique et l'analyse de couplage aéroacoustique-mécanique afin d'avoir au moins l'un de (a) l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) disposé de façon asymétrique par rapport à une ligne de cambrure (16A, 16B, 16C, 16D) de l'aube et (b) un ou plusieurs éléments (34A, 36A, 38A, 40A, 15 42A, 44A) disposés dans l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) qui sont configurés pour perturber des oscillations de pression dans l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) ; et la fabrication de l'aube (1OA, 10B, 1OC, 1OD) telle que modifiée et conçue. 20
17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape de réalisation d'au moins l'une de l'analyse de couplage aéroacoustique et l'analyse de couplage aéroacoustique-mécanique sur l'aube (1OA, 10B, 1OC, 1OD) comprend : 2 5 la détermination d'un champ d'écoulement de l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) ; et la réalisation d'une analyse modale d'aube afin de déterminer une fréquence naturelle de l'aube. 3 0
18. Procédé selon la revendication 16 ou 17, dans lequel l'étape de réalisation de l'analyse de couplage aéroacoustique et de l'analyse de couplage aéroacoustique-mécanique sur l'aube (1OA, 10B, 1OC,1OD) comprend la détermination d'un champ d'écoulement à l'extérieur de l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D) adjacente au bout d'aube (12A, 12B, 12C, 12D).
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, dans lequel l'étape de modification de l'aube (1OA, 10B, 1OC, 1OD) basée sur au moins l'une de l'analyse de couplage aéroacoustique et l'analyse de couplage aéroacoustique-mécanique comprend : la sélection d'au moins l'un d'une taille, forme, nombre et 10 emplacement des un ou plusieurs éléments (34A, 36A, 38A, 40A, 42A, 44A) ; et l'agencement des un ou plusieurs éléments (34A, 36A, 38A, 40A, 42A, 44A) dans un motif souhaité dans l'alvéole de caisson (14A, 14B, 14C, 14D). 15
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 16 à 19, dans lequel les étapes de conception de l'aube (1OA, 10B, 1OC, 10D), de réalisation d'au moins l'une de l'analyse de couplage aéroacoustique et l'analyse de couplage aéroacoustique-mécanique sur 20 l'aube (1OA, 10B, 1OC, 10D), et de modification de l'aube (10A, 10B, 1OC, 1OD) sont réalisées de façon électronique en utilisant modèle logiciel.