FR3073898A1 - Ensemble distributeur support de paliers de turbomachine - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un ensemble distributeur support de palier de turbomachine, comprenant une pluralité d'aubes fixes directrices (16) s'étendant radialement entre une virole externe (22) et une virole interne (24) et définissant entre elles une veine aérodynamique (26), une épingle interne (28) s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la virole interne et destinée à être fixée de manière étanche sur une structure de paliers (34), et une épingle externe (30) s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la virole externe et destinée à être fixée de manière étanche sur un carter extérieur (38), ensemble dans lequel, pour réduire le bruit aval de la turbomachine, au moins l'une des viroles interne et externe est munie d'un ou plusieurs caissons résonnants (42, 44) adaptés pour absorber des fréquences basses prédéterminées, la veine aérodynamique (26) étant reconstituée par respectivement une ou plusieurs peaux perforées (42a, 44a) fermant ces caissons résonnants (42, 44).

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des moteurs à turbine à gaz comprenant une structure (ou boîtier) de paliers entre deux étages de turbines axiales, notamment entre une turbine basse-pression et une turbine haute-pression d'une turbomachine.
Il est connu que la contribution du moteur au bruit d'un giravion, tel qu'un hélicoptère, est pénalisante au décollage pour les gammes de fréquences basses, notamment autour de 2kHz, voire plus bas. Ces fréquences basses correspondent essentiellement au bruit issu de la chambre de combustion, et pour partie, des turbines.
Jusqu'à présent, la solution préconisée pour réduire ce bruit dit « aval » d'un moteur intégré à une cellule est d'inclure un traitement acoustique au niveau de l'éjecteur ou encore de la tuyère. Toutefois, du fait de la profondeur du traitement nécessaire pour réduire ces fréquences basses, il en résulte soit un diamètre accru de l'éjecteur en cas de traitement de celui-ci, et donc une augmentation importante de la masse de l'ensemble tuyère plus éjecteur soit un faible gain acoustique en cas de traitement de la seule tuyère, du fait de sa faible longueur.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de proposer une solution nouvelle qui ne présente pas les inconvénients précités et permette de réduire le bruit émis par l'aval du moteur, avec une pénalité de masse et de coût la plus faible possible pour la turbomachine.
Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un ensemble distributeur support de paliers de turbomachine, comprenant une pluralité d'aubes fixes directrices s'étendant radialement entre une virole externe et une virole interne et définissant entre elles une veine aérodynamique, une épingle interne s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la virole interne et destinée à être fixée de manière étanche sur une structure de paliers, et une épingle externe s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la virole externe et destinée à être fixée de manière étanche sur un carter extérieur, caractérisé en ce que pour réduire le bruit aval de la turbomachine au moins l'une des viroles interne et externe est munie d'un ou plusieurs caissons résonnants adaptés pour absorber des fréquences basses prédéterminées, la veine aérodynamique étant reconstituée par respectivement une ou plusieurs peaux perforées fermant ces caissons résonnants.
L'ensemble distributeur support de paliers selon l'invention est remarquable notamment en ce qu'il est placé au plus près de la source de bruit et permet ainsi un traitement acoustique particulièrement efficient par rapport aux traitements actuels disposés au niveau de l'éjecteur ou de la tuyère où les diamètres de veine sont plus importants et amènent donc une pénalité de masse liée au traitement acoustique.
De préférence, lesdits caissons résonnants ont des volumes et profondeurs différents et sont adaptés pour absorber des fréquences basses prédéterminées comprises entre 1,5kHz et 2,5kHz.
Avantageusement, lesdits caissons résonnants sont remplis d'un matériau poreux typiquement une mousse absorbante ou des billes creuses.
De préférence, lesdits caissons résonnants sont partitionnés axialement ou en azimut par des cloisons inclinées.
Avantageusement, lesdites peaux perforées sont constituées de tôles perforées ou de feutres ou toiles métalliques comportant des perforations d'un diamètre compris entre 0,3 et 0,8 mm et fixées sur lesdites viroles externe et interne par vissage ou collage.
L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant une turbine basse-pression, une turbine haute-pression et un ensemble distributeur support de paliers tel que défini précédemment qui est intercalé entre la turbine basse-pression et la turbine haute-pression.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un ensemble distributeur support de paliers selon l'invention dans son environnement immédiat ;
- la figure 2 est une vue de face de l'ensemble distributeur support de paliers de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue en perspective illustrant plus particulièrement en écorchée les caissons résonnants de la figure 1 ; et
- la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un ensemble distributeur support de paliers de l'art antérieur.
Description détaillée de l'invention
L'invention s'applique à toute turbomachine comprenant une structure de paliers, par exemple à roulements, qui est intercalée entre deux étages de turbines axiales, notamment entre une turbine hautepression et une turbine basse-pression.
Dans une telle turbomachine, les paliers sont généralement supportés en rotation par une structure annulaire qui comprend une pluralité de bras structuraux traversant radialement la veine d'écoulement du flux gazeux et raccordés à une paroi ou virole externe et à une paroi ou virole interne. Certains de ces bras sont traversés par des servitudes huile/air, et notamment par des conduites qui permettent d'acheminer de l'huile de lubrification aux roulements de la structure de paliers.
Dans l'architecture antérieure de la figure 4, la structure annulaire de support de paliers 10 fait aussi fonction de distributeur pour diriger l'écoulement du flux gazeux issus de la chambre de combustion (non représentée) dans l'espace séparant la turbine basse-pression 12 de la turbine haute-pression 14 de la turbomachine. Ce distributeur est typiquement composé d'une pluralité d'aubes directrices creuses fixes 16 traversant radialement la veine d'écoulement du flux gazeux et incorporant alors les bras 17, support de la structure de paliers, ayant pour fonction d'assurer un support pour des paliers amont 18 supportant en rotation un arbre 14a couplé à la turbine haute-pression 14 et des paliers aval 20 supportant en rotation un arbre 12a couplé à la turbine basse-pression 12.
A cet effet, l'ensemble distributeur support de paliers 10 présente une forme générale de révolution (par rapport à l'axe longitudinal X-X de la turbomachine illustré aux figures 2 et 3) avec les aubes directrices espacées de préférence régulièrement angulairement autour de l'axe longitudinal X-X et ayant chacune un même profil aérodynamique qui leur permet de diriger l'écoulement du flux gazeux issus de la turbine haute-pression 14 sur les aubes de la turbine bassepression 12.
Les aubes fixes directrices 16 sont raccordées à l'extérieur à une virole externe 22 et à l'intérieur à une virole interne 24 qui délimitent entre elles une veine 26 d'écoulement du flux gazeux.
L'ensemble 10 comprend également une épingle interne 28 qui s'étend radialement vers l'intérieur depuis la virole interne 24, et une épingle externe 30 qui s'étend radialement vers l'extérieur depuis la virole externe 22. Ces épingles interne 28 et externe 30 sont des flasques annulaires qui s'étendent radialement depuis la virole correspondante et qui, pour une question de masse emportée, peuvent éventuellement être partiellement ajourées au moyen d'ouvertures (voir la référence 32 sur les figures 2 et 3).
L'épingle interne 28 est destinée à être fixée de manière étanche sur la structure de paliers 34, par exemple par l'intermédiaire de systèmes vis/écrous 36 traversant une bride 28a de l'épingle interne. Quant à l'épingle externe 30, elle est destinée à être fixée de manière étanche sur un carter extérieur 38 de la turbomachine à l'intérieur duquel sont logées les turbines haute-pression et basse-pression, par exemple par l'intermédiaire de systèmes vis/écrous 40 traversant une bride 30a de l'épingle externe.
La structure de paliers 34 qui comprend le palier amont 18 et le palier aval 20 consiste notamment en un boîtier ou une enceinte dans laquelle de l'huile apportée au travers d'un ou des bras radiaux 17 est injectée pour refroidir et lubrifier les roulements de ces paliers.
Conformément à l'invention et comme le montre la figure 1, il est proposé de réaliser un traitement acoustique non plus au niveau de l'injecteur ou de la tuyère mais au plus près de la chambre de combustion, c'est-à-dire au niveau de l'ensemble distributeur support de palier 10.
Pour cela, des cavités acoustiques 42, 44 fermées par des peaux perforées 42a, 44a recréant la veine aérodynamique 26, sont prévues au niveau des viroles externe 22 et interne 24 qui définissent les parois de cette veine. Les efforts structuraux passent par le fond des cavités qui participe à la tenue mécanique de l'ensemble, les peaux perforées fermant ces cavités étant simplement rapportées sur l'ensemble et n'apportent aucun rôle structurel. La peau perforée constituée par exemple d'une tôle perforée, d'un feutre ou toile métallique est rapportée entre les aubes directrices 16 de préférence par vissage ou par collage sur les viroles 22, 24 formant les rebords extérieurs des cavités comme illustré.
Afin d'obtenir les meilleurs résultats, ces cavités devront présenter la profondeur la plus importante possible afin de favoriser la réponse sur les fréquences les plus basses, typiquement comprises entre 1,5kHz et 2,5kHz, et la surface de la peau perforée sera choisie afin de maximiser l'absorption.
La peau sera de préférence perforée de trous 46 d'un diamètre de 0.3 à 0.8mm, selon la signature fréquentielle de la chambre de combustion située en amont.
Le traitement acoustique sera avantageusement effectué sur les deux côtés de la veine aérodynamique 26 comme illustré. Toutefois, si un choix doit être fait, le côté de la virole externe 22 doit être privilégié.
Les cavités ainsi formées sont des structures résonantes, dont la profondeur devra être maximisée au moment de la conception afin d'absorber les fréquences les plus basses. L'absorption est réalisée par transformation de l'énergie cinétique (vitesse acoustique) en chaleur au niveau de la couche résistive (peau perforée). Les cavités sont de préférence vides mais un remplissage par un matériau poreux comme une mousse absorbante ou des billes creuses est aussi possible.
Le nombre de ces cavités résonnantes dépendra essentiellement du nombre d'aubes fixes voire de bras structuraux lorsqu'ils sont externes aux aubes, le traitement acoustique étant réalisé de préférence entre ces éléments. Ainsi, si le distributeur comporte dix aubes fixes directrices comme illustré, l'ensemble pourra comporter dix cavités résonnantes sur la veine interne et dix cavités résonnantes sur la veine externe qui seront toutefois de volume différent (et aussi de profondeur différente) du fait notamment des servitudes qui ne sont pas forcément axisymétriques.
Pour augmenter la « profondeur acoustique » du traitement et comme le montre la figure 2, les cavités 42, 44 sont avantageusement séparées par des cloisons inclinées 48 qui assurent un partitionnement axial ou en azimut selon les contraintes mécaniques mises en jeu (la longueur de ces cloisons définissant la profondeur acoustique des cavités qui se distingue de la profondeur réelle de la cavité moins importante). L'orientation des cloisons par rapport au flux d'air est un compromis entre l'efficacité acoustique et les pertes aérodynamiques. L'homme du métier sait la déterminer en fonction des pertes et de la géométrie réelle de la cavité. Ceci se faisant toutefois au détriment de la surface traitée, l'homme du métier sait toutefois réaliser une optimisation numérique pour 5 décider de l'utilisation de ces cloisons inclinées afin de gagner en absorption aux basses fréquences. On notera également qu'une étanchéité stricte des cloisons inclinées entre elles n'est pas nécessaire.
Enfin, la figure 3 illustre en perspective l'ensemble ci-dessus et plus particulièrement en écorché les cavités résonnantes 42, 44 qui dans 10 la configuration illustrée ont une forme annulaire sans cloisons de séparation, la peau perforée étant collée à la fois sur le côté interne 24 et sur le côté externe 22 de la veine aérodynamique et seulement interrompue au passage des aubes fixes directrices 16.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Ensemble (10) distributeur support de paliers de turbomachine, comprenant une pluralité d'aubes fixes directrices (16) s'étendant radialement entre une virole externe (22) et une virole interne (24) et définissant entre elles une veine aérodynamique (26), une épingle interne (28) s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la virole interne et destinée à être fixée de manière étanche sur une structure de paliers (34), et une épingle externe (30) s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la virole externe et destinée à être fixée de manière étanche sur un carter extérieur (38), caractérisé en ce que pour réduire le bruit aval de la turbomachine, au moins l'une des viroles interne et externe est munie d'un ou plusieurs caissons résonnants (42, 44) adaptés pour absorber des fréquences basses prédéterminées, la veine aérodynamique étant reconstituée par respectivement une ou plusieurs peaux perforées (42a, 44a) fermant ces caissons résonnants.
  2. 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel lesdits caissons résonnants (42, 44) ont des volumes et profondeurs différents.
  3. 3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdits caissons résonnants (42, 44) sont adaptés pour absorber des fréquences basses prédéterminées comprises entre 1,5kHz et 3kHz.
  4. 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel lesdits caissons résonnants (42, 44) sont remplis d'un matériau poreux typiquement une mousse absorbante ou des billes creuses.
  5. 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel lesdits caissons résonnants (42, 44) sont partitionnés axialement ou en azimut par des cloisons inclinées (48).
  6. 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 et 5, dans lequel lesdites peaux perforées (42a, 44a) sont constituées de tôles perforées ou de feutres ou toiles métalliques.
    5
  7. 7. Ensemble selon la revendication 6, dans lequel lesdites peaux perforées (42a, 44a) comportent des perforations (46) d'un diamètre compris entre 0,3 et 0,8 mm.
  8. 8. Ensemble selon la revendication 6 ou 7, dans lequel lesdites 10 peaux perforées (42a, 44a) sont fixées sur lesdites viroles externe et interne par vissage ou collage.
  9. 9. Turbomachine comprenant une turbine haute-pression (14), une turbine basse-pression (12) et un ensemble distributeur support de
    15 paliers (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 qui est intercalé entre la turbine basse-pression et la turbine haute-pression.
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