FR3073019A1 - Chemin d'effort courbe dans une aube - Google Patents

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Abstract

Aube (100) de turbomachine comprenant ; une portion amont (130), qui comprend un bord d'attaque (120) avec un profil en serration, une portion aval (140), qui comprend le bord de fuite (145) et des zones de fixation (113, 118) pour attacher l'aube (100) à un moyeu (200) et/ou un carter (250), caractérisé en ce que la portion amont (103) est moins rigide que la portion aval (140) de sorte que portion aval (140) supportent la majorité des efforts transitant par l'aube (100).

Description

Chemin d'effort courbe dans une aube
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
L'invention concerne le domaine de la gestion aéro-acoustique d'aube fixe dans une turbomachine pour aéronef ou dans un banc d'essai de turbomachine pour aéronef.
Ce type d'aube fixe se retrouve par exemple sur des OGV (outlet guide vane), ou redresseurs, disposés en aval d'un corps tournant pour redresser le flux d'air. On parlera d'aube de stator pour désigner une aube fixe, à l'inverse des aubes en rotation.
Un exemple sera donné pour une turbomachine double flux avec une soufflante et un redresseur disposé en veine secondaire.
L'interaction entre l'écoulement mis en rotation par la soufflante et le redresseur dans la veine secondaire est à l'origine d'une source de bruit prédominante sur le bruit total généré par le moteur, voire par l'avion selon les régimes de fonctionnements.
ETAT DE L'ART
Plusieurs approches sont envisagées pour maîtriser et/ou réduire le bruit d'origine aérodynamique, soit par modification du champ aérodynamique incident (l'excitation aérodynamique), soit par modification de la géométrie des stators (la réponse aéro-acoustique).
Dans le deuxième cas, il a été proposé une modification de la géométrie du bord d'attaque des aubes du stator sous forme de bord d'attaques ondulés communément appelés « wavy leading edge », « serrated leading edge » ou « leading edge serrations ».
Le principe de réduction des émissions de bruit générées par la grille OGV réside sur le fait de déphaser spatialement les sources de bruit distribuées le long du bord d'attaque par le biais d'ondulation, identiques ou non. Pour que le principe s'applique, la taille (profondeur, largeur, épaisseur) des ondulations doit être adaptée au contenu du champ aérodynamique incident (épaisseur et déficit des sillages moyens, taille des tourbillons pour la turbulence) qui varie en fonction du régime moteur.
Comme présenté dans les références listées ci-dessous, la fonction des variations géométriques selon la corde est donnée par l'équation suivante :
c(r) = c0 + h. sm(2nr/A~)
Où co est la corde de référence, h l'amplitude et À la longueur d'onde des ondulations et r le rayon.
L'angle θ exprimé ci-dessous est un paramètre clé dans la réduction du bruit. Sa valeur est déterminée par la formule suivante, illustrée en figure 1 :
Θ = atan(4h/A)
La valeur de À est choisie à partir de la longueur d'onde de la turbulence du fluide arrivant au bord d'attaque de l'aube.
La figure 2 illustre le résultat de l'application de ces formules sur des aubes 100, où l'on observe les dents 112 et les creux 114 du bord d'attaque 108 et les ondulations périodiques.
Toutefois, la présence des dents 112 au bord d'attaque 108 réduit fortement le bilan mécanique des OGV, avec de fortes concentrations de contraintes dans les creux de dent.
En effet sous effort aérodynamique la pale fléchit tangentiellement, ce qui induit un effet de cisaillement transverse d'une dent à l'autre. Ainsi plus les dents sont longues, plus le rayon des creux de dent est faible, et plus la contrainte dans les creux de dents sera élevée.
Or, ce constat est inverse au gain acoustique escompté puisque ce dernier est maximisé pour des dents fines et longues.
Il existe donc un besoin de solutions permettant de maximiser les avantages de cette solution tout en minimisant les inconvénients.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Pour cela, l'invention propose une aube de turbomachine comprenant ; une portion amont, qui comprend un bord d'attaque avec un profil en serration, une portion aval, qui comprend le bord de fuite et des zones de fixation pour attacher l'aube à un moyeu et/ou un carter, caractérisé en ce que la portion amont est moins rigide que la portion aval de sorte que la portion aval supporte la majorité des efforts transitant par l'aube.
L'invention peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- lequel la portion aval comprend des fibres incurvées qui contourne la portion amont,
- la portion amont et la portion aval sont faites en deux matériaux différents,
- la portion amont est creuse,
- le profil en serration du bord d'attaque obéit à une loi périodique, par exemple de type sinusoïdale,
- l'aube est en matériau composite,
- les fixations des zones de fixation sont de type radial ou tangentiel.
L'invention concerne aussi une couronne de redresseur comprenant une pluralité d'aubes telles que décrites précédemment, les aubes étant réparties circonférentiellement autour du moyeu.
L'invention concerne aussi une turbomachine ou banc d'essai comprenant une aube ou une couronne telle que décrite précédemment.
Il s'agit d'une turbomachine ou un banc d'essai par exemple de type turbomachine partielle, cet ensemble étant par exemple un redresseur monoflux de la turbomachine partielle en constituant une veine qui correspondrait à une veine secondaire en considérant le cas d'une turbomachine complète.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :
- La figure 1 représente un schéma illustrant les grandeurs définissant un profil en serration,
- La figure 2 illustre une aube de stator avec un profil en serration,
- La figure 3 et 4 illustre deux aubes selon des modes de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
On se place dans le cadre d'une portion de turbomachine, typiquement une veine qui pourrait être équivalente à une veine secondaire d'une turbomachine double flux avec redresseur (OGV) disposé en sortie de soufflante. Il peut donc s'agir d'un cadre de banc d'essai, par exemple pour des redresseurs monoflux ou tout type de banc d'essai dans lequel une aube fixe est utilisée. Un tel banc d'essai est par exemple un moteur partiel permettant par exemple de valider des données sur des phénomènes représentatifs de ceux intervenant habituellement dans la veine secondaire d'un moteur complet.
Les figures 3 et 4 illustrent une aube 100 comprenant un pied d'aube 110 à une extrémité, qui est typiquement une extrémité radialement interne de l'aube 100. Le pied d'aube 110 s'attache à un moyeu 200, de révolution autour d'un axe longitudinal, qui correspond à un axe de rotation principale de la portion de turbomachine. Le moyeu 200 fait généralement partie du corps primaire d'une turbomachine double flux. L'aube 100 s'étend dans une direction radiale Y par rapport au moyeu 200 (chaque aube possède donc sa direction radiale Y propre).
A une autre extrémité, radialement externe, l'aube 100 est attachée à un carter 250 par une tête d'aube 115.
Pour former la veine V, une plateforme intérieure 220 peut être prévue radialement au-delà du moyeu 200, qui n'a pas de fonction aérodynamique.
L'aube 100 a une forme profilée pour redresser le flux, avec notamment un intrados et un extrados. Le pied 110 d'aube 100 peut avoir une forme dans le prolongement de l'intrados et de l'extrados.
L'aube 100 comprend un bord d'attaque 120 en serration, c'est-à-dire qu'il présente des ondulations, sous la forme d'une alternance de dents 122 et de creux 124, par exemple selon un motif sinusoïdal comme décrit en introduction.
On définit ainsi une portion amont 130 de l'aube 100, qui comprend notamment le bord d'attaque 120, et une portion aval 140, qui comprend notamment le bord de fuite 145 d'aube.
L'aube 100 peut être en métal ou en matériau composite (matrice de résine avec renforts, typiquement en carbone).
Le pied d'aube 110 et la tête d'aube 115 comprennent chacune des zones de fixation internes 113 et externes 118. On a généralement une zone de fixation interne amont 113a et une zone de fixation interne aval 113b, une zone de fixation externe amont 118a et une zone de fixation externe aval 118b. Les zones de fixations internes 113 permettent d'attacher le pied d'aube 110 au moyeu 200 et les zones de fixation externes 118 permettent d'attacher la tête d'aube 115 au carter 250.
Ces aubes 100 peuvent reprendre des efforts, qui se propagent sur la longueur le long de la direction radiale Y. On peut définir des chemins d'effort qui relient une zone de fixation interne 113 à une zone de fixation externe 118.
Les zones de fixation 113, 118 sont configurées pour fonctionner avec des fixations radiales, c'est-à-dire qu'une tige s'étend selon la direction radiale entre une zone de fixation 113, 118 et le moyeu 200/le carter 250 (voir figure 3) ou avec des fixations tangentielles, c'est-à-dire qu'une tige s'étend tangentiellement (orthogonalement à la direction longitudinale et la direction radiale Y) entre des œillets prévu dans les zone de fixation 113, 118 de l'aube et dans le moyeu 200/le carter 250 (voir figure 4).
Les zones de fixation 113, 118 se situent hors de la veine V.
Afin de protéger le profil serration, un objectif de l'invention est d'écarter ces chemins d'effort du bord d'attaque 120.
Pour cela, l'aube 100 est conçue de sorte que la portion amont 130 a une rigidité moindre que la portion aval 140, afin que les efforts transitent naturellement davantage par la portion aval 140 que la portion amont 130. Cette dernière est alors soulagée des efforts, ce qui autorise l'implémentation de profil en serration sans les désavantages cités en introduction. La délimitation 400 entre les deux portions 130, 140 se fait selon une forme courbe qui relie les zones fixations interne amont 113a et externe amont 118a.
Avec cette aube 100, tout profil en serration (profondeur variable, espacement variable, peu profond, très profond, etc.) auparavant limité par les contraintes de cisaillement telles que décrites en introduction devient possible.
Plusieurs modes de réalisation sont possibles pour réaliser la différence de rigidité.
Dans un mode de réalisation, l'aube 100 est en matériau composite fibré. Entre les deux zones de fixation amont 113a, 118a, les fibres sont disposées de façon courbe, afin d'incurver le chemin d'effort, ce qui permet de générer la portion amont 130 et la portion aval 140 qui comprend lesdites fibres incurvées. Plus spécifiquement, la portion aval 140 est définie par la zone comprenant toutes les fibres s'étendant à partir des zones de fixation 113, 118. Ainsi, dans la portion amont 130 ne s'étend aucune fibre qui récupère des efforts depuis les zones de fixation 113, 118.
Dans un mode de réalisation, les portions amont 130 et aval 140 sont générés à l'aide de matériaux différents. Par exemple, la portion aval 140 est directement faite à partir d'un matériau plus rigide que la portion amont 130. Alternativement, on injecte localement dans la portion aval 140 un matériau plus rigide.
Dans un mode de réalisation, la portion amont 130 est faite creuse alors que la portion aval 140 comprend des portions pleines pour reprendre les efforts. Ce mode de réalisation est plus adapté pour les méthodes de fabrication par injection directe.
Outre une turbomachine, cette aube 100 peut être montée dans le cadre d'un banc d'essai ou d'une turbomachine de test.

Claims (9)

  1. Revendications
    1. Aube (100) de turbomachine comprenant ;
    une portion amont (130), qui comprend un bord d'attaque (120) avec un profil en serration, une portion aval (140), qui comprend le bord de fuite (145) et des zones de fixation (113, 118) pour attacher l'aube (100) à un moyeu (200) et/ou un carter (250), caractérise en ce que la portion amont (103) est moins rigide que ia portion aval (140) de sorte que la portion aval (140) supporte la majorité des efforts transitant par l'aube (100).
  2. 2. Aube (100) selon la revendication 1, dans lequel la portion aval (140) comprend des fibres incurvées qui contourne la portion amont (130).
  3. 3. Aube (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 dans lequel la portion amont (130) et la portion aval (140) sont faites en deux matériaux différents.
  4. 4. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la portion amont (130) est creuse (130).
  5. 5. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le profil en serration du bord d'attaque (120) obéit à une loi périodique, par exemple de type sinusoïdale.
  6. 6. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'aube (100) est en matériau composite.
  7. 7. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les fixations des zones de fixation (113, 118) sont de type radial ou tangentiel.
  8. 8. Couronne de redresseur comprenant une pluralité d'aubes (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, les aubes (100) étant réparties circonférentiellement autour du moyeu (200).
    5
  9. 9. Turbomachine ou banc d'essai comprenant une aube (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou une couronne selon la revendication 8.
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