Brevet FR2027666A1 — publié le 19701002

i 2027666 La présente invention concerne le perfectionnement des moteurs à turbines à gaz, et plus particulièrement la réduction des niveaux des bruits produits par ces moteurs en particulier pendant la propulsion d'un aéronef. Le niveau des bruits indésira-5 bles d'un aéronef volant à basse altitude au-dessus de zones peuplées, en particulier à proximité des aéroports, est devenu un problème de plus en plus important. En plus de l'augmentation de plus en plus rapide du nombre d'avions en service, la production d'avions de plus en plus importants se traduit par des niveaux de 10 bruits et une fréquence de production de bruits ayant des conséquences sociologiques et économiques dans les zones affectées par un tel fonctionnement des avions. Les avions actuels sont en majeure partie propulsés par des moteurs à turbines à gaz. Ces moteurs sont ou bien des 15 turboréacteurs ou bien du type à turbosouffiante. La force de propulsion résulte en totalité ou en grande partie de l'éjection des gaz chauds à travers une tuyère de propulsion. Dans les moteurs du type turboréacteur, la propulsion résulte seulement de l'échappement du courant de gaz chauds à grande 20 vitesse à travers la tuyère de propulsion. Cela entraîne des problèmes sévères en ce qui concerne le bruit et de nombreuses solutions approximatives différentes ont été proposées pour supprimer les bruits de ce type. En fait, la plupart, si ce n'est la totalité, des avions commerciaux comportent actuellement un mécanisme suppresseur 25 de bruits pour les moteurs à turbines à gaz. Un moteur à turbosouffiante comprend un compresseur à ailettes à écoulement axial appelé soufflante. Une partie de l'air mis sous pression par la soufflante pénètre dans le moteur central pour engendrer un courant de gaz chauds utilisé pour l'entraînement 30 du rotor de la soufflante et pour fournir aussi une proportion relativement faible de la force totale de propulsion du moteur. Le reste du courant produit par la soufflante passe à côté du moteur central et échappe à des vitesses relativement faibles à travers une tuyère de propulsion pour produire la plus grande partie de la 35 force de propulsion engendrée par le moteur. Dans un passé récent, des moteurs à turbosoufflantes ont été développés pour une proportion bien plus importante de la force de propulsion produite par le courant de la soufflante passant 69 45680 2 2027666 en by-pass par rapport au moteur central. Ces moteurs sont habituellement appelés des moteurs à turbosouffiantes à by-pass élevé. Ces moteurs à turbosoufflantes à by-pass élevé ont de nombreux avantages connus, mais cependant un nouveau problème 5 relatif au bruit existe avec ces moteurs. Alors que l'échappement du courant de gaz chauds a été la source principale de bruit dans les premiers moteurs, le bruit engendré par la soufflante d'un moteur à turbosoufflante - à by-pass élevé est devenu la cause principale de bruit, et d'une façon générale les techniques de suppression 10 du bruit développées pour le courant de gaz chauds ne conviennent pas pour le bruit engendré par ces soufflantes. Bien que ce qui précède concerne particulièrement les moteurs à turbosoufflantes à by-pass élevé, il doit être observé que les moteurs à turbines à gaz ayant des compresseurs à écoulement axial de diamètre relativement 15 important et/ou à vitesses périphériques élevées aux extrémités des ailettes, engendrent aussi un bruit important qui est un facteur pour la suppression du bruit global de ces moteurs, bien que le courant de gaz chauds puisse être utilisé comme la source principale ou la seule source d'énergie de propulsion. 20 De nombreuses solutions ont été proposées pour réduire le niveau du bruit engendré par les soufflantes et les compresseurs de ces moteurs. Les chemises suppresseuses de bruit dans les conduits du compresseur ou de la soufflante ont une action efficace pour absorber le bruit et minimiser la propagation du bruit à par-25 tir du moteur. Il a été proposé aussi de supprimer les ailettes directrices d'entrée utilisées normalement pour diriger correctement l'air de la prise d'air vers les ailettes en rotation de la soufflante. Il a été proposé aussi d'espacer les séries circulaires d'ailettes fixes et d'ailettes tournantes d'une distance apprécia-30 ble, habituellement d'une distance égale à deux longueurs de corde ou plus. Les deux solutions ci-dessus sont efficaces pour réduire le niveau du bruit engendré par les soufflantes. Cependant, ces solutions individuellement ou en combinaison ne permettent pas de réduire de façon entièrement satisfaisante les niveaux de bruit 35 aux valeurs demandées à l'industrie aéronautique. De plus, ces deux solutions conduisent à la"diminution des performances du moteur et/ou à une augmentation de son poids et ces inconvénients subsistent pour toutes les conditions de fonctionnement du moteur. 69 4-5680 3 2027666 Bien qu'il soit improbable qu'un moyen quelconque puisse être trouvé pour obtenir une réduction substantielle du bruit des moteurs à turbines à gaz sans un effet défavorable sur les performances sous la forme d'une augmentation du poids et/ou d'une 5 augmentation de la complication et du prix et/ou d'une perte de rendement, l'invention a pour objet d'obtenir une réduction substantielle du bruit avec le minimum possible d'effet défavorable sur les performances » L'invention a plus particulièrement pour objet la 10 réduction du bruit engendré par les compresseurs à écoulement axial, et en particulier par les compresseurs à écoulement axial à faible augmentation de pression appelés soufflantes des moteurs à turbosoufflantes» Comme il a été indiqué ci-dessus, des réductions du 15 bruit ont été obtenues en utilisant un espacement axial plus important entre les ailettes stationnaires et les ailettes tournantes d'une soufflanteo Les bénéfices obtenus peuvent être expliqués par le fait que l'augmentation de la distance d'écoulement entre les étages d'ailettes réduit les gradients de vitesse circonférentielle 20 dans le courant d'air à son entrée dans l'étage situé en aval d'un étage d'ailettes stationnaires ou tournantes» Du fait du gradient de vitesse minimisé dans le courant d'air à l'entrée, les perturbations de la pression au bord d'attaque des ailettes situées en aval sont minimisées de façon semblable et par suite le bruit 25 engendré par de telles perturbations est aussi minimisé. L'invention concerne un dispositif perfectionné pour minimiser ces gradients de vitesse en utilisant un dispositif d'échappement dans des parties des bords de fuite des ailettes du compresseur ou de la soufflante. De l'air sous pression est envoyé 30 dans ces dispositifs d'échappement avec un débit suffisant pour éliminer pratiquement les sillages négatifs ou les gradients de vitesse circonférentielle immédiatement en. aval-des ailettes. Les étages d'ailettes sont de préférence peu espacés pour éviter l'augmentation de poids ou la perte de rendement résultant d'un espace-35 ment plus important des étages d'ailettes. De plus en utilisant des ailettes directrices d'entrée comportant ces dispositifs d'échappement pour minimiser les gradients de vitesse à leurs bords de fuite, il e£t possible d'obtenir des rendements supérieurs pour les 69 45680 4 2027666 soufflantes et les compresseurs sans faire apparaître les problèmes habituels résultant du bruit quand ces ailettes directrices d'entrée sont utilisées. Il est préférable de plus que le dispositif d'échappe-5 ment soit constitué par une fente située symétriquement par rapport à la ligne médiane de courbure de l'ailette et que l'ailette soit creuse pour former une chambre d'alimentation en air sous pression pour la fente» L'invention a de même pour objet un compresseur à éeou-10 lement axial comportant une première série circulaire et une seconde série circulaire d'ailettes courbes, ces sérieç circulaires étant espacées axialement et l'une des séries formant les ailettes tournantes, caractérisé en ce que les ailettes de la série amont comportent dans leurs bords de fuite des ouvertures alignées d'une façon 15 générale par rapport à la ligne médiane de courbure des ailettes, et par un dispositif pour faire échapper de l'air sous pression à travers ces ouvertures à une vitesse suffisante pour éliminer au moins substantiellement les sillages aux bords de fuite de la série circulaire d'ailettes amont. 20 Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel : La figure 1 représente schématiquement en coupe la partie constituant la soufflante d'un moteur à turbine à gaz avec 25 un dispositif suppresseur du bruit selon l'invention, La figure 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la figure 1 montrant la cascade séquentielle d'ailettes dans la soufflante du moteur, La figure 3 est une vue suivant la ligne III-III de la 30 figure 2, La figure 4 montre les vecteurs de vitesse d'écoulement aux bords de fuite d'une ailette, et La figure 5 représente graphiquement la distribution des pressions le long du profil de l'ailette. 35 La figure 1 représente un dispositif selon l'invention dans un moteur à turbosoufflante. Ce moteur comprend une section de soufflante 10 qui produit un courant d'air sous pression pénétrant dans le moteur par l'ouverture du capot 12. Une partie de cet 4S680 5 2027666 air sous pression échappe à travers une tuyère annulaire 14 formée en partie par l'extrémité aval du capot 12 et en partie par le fuseau 16 intérieur qui contient le moteur central ou générateur de gaz. 5 La partie intérieure du courant d'air sous pression de la soufflante pénètre dans l'entrée 18 du moteur central. L'air pénétrant dans ce moteur est à nouveau comprimé pour assurer la combustion du carburant pour la production du courant de gaz chauds. Ce courant de gaz chauds entraîne d'une façon connue le compresseur 10 du moteur central et entraîne aussi l'arbre 20 du rotor de la soufflante avant d'échapper à travers une tuyère propulsive. Les forces propulsives combinées du courant d'air éjecté par la tuyère annulaire 14 et du courant de gaz chauds éjecté à travers la tuyère des gaz sont de préférence utilisées pour la propulsion d'un avion. 15 Comme il a été indiqué ci-dessus, le moteur central entraîne l'arbre 20 du rotor de la soufflante (figure l)„ Ce rotor comporte une série circulaire d'ailettes profilées 22 dépassant radialement. Une série circulaire d'ailettes directrices d'entrée est disposée en amont des ailettes 22 du rotor entre le capot 12 et 20 le nez en ogive arrondie 26 qui délimite l'entrée profilée vers la soufflante. Une série circulaire d'ailettes redresseuses de sortie 28 est disposée en aval des ailettes 22 du rotor entre le capot 12 et le carter intérieur 30 qui définit la surface intérieure de l'entrée 18 vers le moteur central. 25 La description qui précède de la soufflante 10 et des éléments associés concerne des caractéristiques bien connues de construction et de fonctionnement d'une telle soufflante. Conformément à l'invention, l'air sous pression passe à travers un ou plusieurs conduits 32 d'un point situé en aval 30 des ailettes redresseuses 28 Vers les extrémités extérieures des ailettes directrices 24. Le conduit ou les conduits 32 sont de préférence disposés à l'intérieur de la structure de capot 24 pour déboucher dans un distributeur annulaire 34. Les ailettes directrices d'entrée 24 sont creuses, c'est-à-dire comportent des cavités 35 ou chambres 36 communiquant avec le distributeur Des fentes 38 sont formées dans les bords de fuite des ailettes directrices 24 69 45680 6 2027666 (figures 2 et 3) pour l'échappement de l'air sous pression à partir des chambres 36. L'air sous pressions refoulé par la soufflante est aussi envoyé à l'intérieur des ailettes tournantes 32. Le carter 30 5 comporte des ouvertures 40 pour le passage de l'air vers une chambre 42 délimitée par une partie de l'arbre 20 du rotor et par le carter» Cette chambre est normalement limitée par un joint labyrinthe 44 entre l'arbre 20 du rotor et le carter 30. L'arbre 20 comporte des ouvertures 46 pour le passage de l'air de la chambre 42 10 vers la chambre 48 formée à l'intérieur de la partie amont de l'arbre du rotor et qui est fermée de la façon représentée en 50 et 50a„ Les ailettes 22 du rotor sont creuses pour former des cavités ou des chambres intérieures 52 communiquant avec la chambre 48» Les parties radialement vers l'extérieur des bords de 15 fuite des ailettes 22 comportent des fentes 53 analogues à celles des ailettes 24 pour permettre l'échappement de l'air sous pression des chambres 52 dans la direction aval» Quand l'air s'écoule autour des ailettes directrices ou des ailettes du rotor d'un compresseur, il est divisé en deux 20 courants séparés. Dans tin plan contenant le bord de fuite d'une ailette classique et perpendiculaire à la ligne médiane de courbure de l'ailette, le vecteur de -vitesse est pratiquement nul sur la ligne du bord de fuite contenant la ligne médiane 60 de courbure des ailettes (ou éventuellement un vecteur négatif de vitesse en 25 considérant certaines caractéristiques de couche limite).-De chaque coté de ce vecteur de vitesse nul, la vitesse croît progressivement jusqu'à une vitesse relativement uniforme des filets entre les ailettes. Il en résulte un gradient de vitesse de chaque côté du bord de fuite de l'ailette qui est souvent considéré comme un sil-30 lage. Cette caractéristique est représentée sur la figure 4 par des vecteurs en tirets. La combinaison décrite ci-dessus pour l'échappement d'air sous pression à travers les fentes 38 et 54 des ailettes 24 et 22 supprime ou tout au moins réduit considérablement cette con-35 dition de sillage ou de vitesse irrégulière. Comme le montre la figure 4 les fentes 38 (comme les fentes 54) sont alignées par rapport à la ligne médiane 60 de la courbure de l'ailette, et de plus le volume et la vitesse de l'air échappant ainsi établit la rela 69, 45680 7 2027666 tion des vecteurs de vitesse représentée par la ligne en trait plein de la figure 4 dans un plan immédiatement en aval des ailettes 24 (ou des ailettes 22). Les implulsions de pression qui engendrent du bruit 5 peuvent être considérablement réduites en supprimant la condition de sillage. Cela est illustré par la figure 5 qui est un graphique de l'augmentation de la pression du bord de tête au bord de fuite d'une ailette 22. La courbe en trait plein de la figure 5 illustre le type d'augmentation de la pression quand il existe un gradient 10 de vitesse circulaire pratiquement uniforme dans le courant d'air échappant des ailettes directrices 24 vers les ailettes 22 du rotor en rotation, cette condition étant obtenue par l'élimination du sillage de la façon décrite ci-dessus„ Pour faire mieux ressortir les avantages de l'inven-15 tion, s'il existait un gradient de vitesse circulaire dans le courant d'air pénétrant entre les ailettes 22, l'augmentation de la pression serait représentée par la courbe en tirets de la figure 5 au lieu de la courbe en trait plein. Il en résulte des impulsions de pression d'une fréquence égale à la fréquence de passage des 20 ailettes 22 devant les ailettes 24. Cette fréquence est comprise dans la plage des sons audibles et l'énergie est élevée aux extrémités radiales des ailettes. L'utilisation de l'échappement d'air décrit ci-dessus élimine complètement ou sensiblement le sillage et la tendance à minimiser ou même à supprimer la génération de ces 25 impulsions de pression, et par suite du bruit indésirable. L'explication donnée ci-dessus en ce qui concerne 1'avantage de l'élimination des sillages dans l'air passant des ailettes directrices 24 vers les ailettes 22 du rotor s'applique aussi avec les mêmes avantages résultants à l'air passant des ailettes 22 du rotor vers les 30 ailettes directrices de sortie 28. Du fait de la suppression des sillages de la façon décrite ci-dessus, la série d'ailettes 22 du rotor peut être très près de la série d'ailettes directrices 24, de préférence à une distance inférieure au dixième de la longueur de la corde. Il est 35 possible ainsi de construire une soufflante ou un compresseur avec le meilleur rendement de fonctionnement et un minimum d'enveloppe et de poids tout en réduisant le niveau du bruit engendré par la soufflante. 69 45680 8 2027666 Il est bien connu que dans un compresseur à écoulement axial la pression et/ou la vitesse augmentent radialement vers les limites extérieures du trajet d'écoulement annulaire. Suivant un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, il est 5 tenu compte de ce facteur. Les fentes 38 et 54 sont de préférence formées seulement dans les parties radialement extérieures des ailettes 24 et 22 de la façon représentée sur les figures 1 et 3. La longueur de ces fentes peut être avantageusement de 50 % de la longueur radiale des ailettes. Les .impulsions de pression 10 engendrées par les conditions de sillage dans la partie intérieure du courant dfair annulaire n'ont pas en général de conséquences appréciables pour la production de bruit d'intensité' indésirable, et par suite il est possible de réduire la quantité d'air échappant à travers les fentes. Il sera noté aussi d'après la figure 3 que.la 15 largeur des fent-es 38 (comme des fentes 54) croît progressivement vers les extrémités extérieures des ailettes. Ceci tient compte du gradient radial de vitesse mentionné ci-dessus, non seulement pour l'utilisation de la quantité minimale d'air échappant à travers les fentes, mais aussi pour maintenir un gradient de vitesse sensible-20 ment uniforme dans toutes les parties extérieures du trajet annulaire d'écoulement. L'utilisation de l'échappement d'air décrit ci-dessus est de préférence limitée aux parties du moteur nécessitant la réduction du bruit pendant la propulsion de.l'avion. Des dispositifs 25 sont utilisés dans ce but pour couper l'alimentation en' air sous pression de l'intérieur des ailettes pendant la marche du moteur dans des zones ne nécessitant pas la réduction du bruit. Ces dispositifs sont représentés sur la figure 1 sous la forme d'une vanne 56. dans le conduit 32 qui permet de couper le passage vers les ailet-30 tes directrices d'entrée 24. De façon similaire, des électrovan- nes 58 permettent de fermer les ouvertures 40 pour arrêter l'alimentation en air des ailettes 22. Il est facile de voir que pendant' le fonctionnement en dehors du régime de réduction du bruit, l'alimentation en air 35 d'échappement à travers les fentes étant coupée, il n'y a pratiquement aucune Influence défavorable en ce qui concerne la soufflante. De plus, l'augmentation de poids pour obtenir un régime à réduction du bruit est minime et le dispositif peut être facilement 69 45680 9 2027666 incorporé dans une structure existant déjà. Bien que la description ci-dessus soit donnée en considérant l'utilisation de l'invention pour un moteur à turbosouf-flante et plus particulièrement pour la soufflante d'un tel moteur, ^ il est rappelé que ces soufflantes font partie des compresseurs à écoulement axial et que les avantages apportés par l'invention peuvent être obtenus pour tous les types de compresseurs à écoulement axial. Bien entendu, la description qui précède n'est pas 10 limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 69 45680 10 2027666 REVENDICATIONS 1 » Compresseur ou soufflante à écoulement axial comportant au moins une première série circulaire d'ailettes courbées et une seconde série circulaire d'ailettes courbées, ces séries étant espacées dans la direction axiale et l'une des séries constituant 5 des ailettes tournantes caractérisé en ce que les bords de fuite des ailettes d'une série circulaire amont comportent des ouvertures alignées d'une façon générale sur la ligne médiane de courbure des ailettes, et par un dispositif pour envoyer de l'air sous pression à travers ces ouvertures à une vitesse suffisante pour 10 éliminer au moins substantiellement les sillages aux bords de fuite de la série d'ailëttes amont. 2» Compresseur ou soufflante selon la revendication 1 carac térisé en ce que les ouvertures sont des fentes longues„ 3o Compresseur ou soufflante selon la revendication 2 carac- 15 térisé en ce que la largeur des fentes croît radialement versl les extrémités extérieures des ailettes» 4o Compresseur ou soufflante selon l'une des revendications 2 et 3 caractérisé en ce que les fentes s'étendent des extrémités extérieures des ailettes vers l'intérieur sur une distance égale 20 environ à 10 à $0% de la longueur radiale des ailettes. 5« Compresseur ou soufflante selon la revendication 1 carac térisé en- ce que la première série d'ailettes est une série circu-- laire d'ailettes directrices d'entrée stationnaires et la seconde série circulaire d'ailettes constitue des ailettes tournantes, le 25 compresseur comportant de plus une série circulaire d'ailettes redresseuses de sortie en aval de la série d'ailettes tournantes, les ailettes directrices d'entrée étant les ailettes amont et comportant les ouvertures d'échappement d'air et le dispositif pour envoyer de l'air sous pression à travers ces ouvertures com— 30 portant des conduits distributeurs pour faire passer l'air sous 69 45680 XI 2027666 pression du courant refoulé par la soufflante vers l'intérieur des ailettes directrices d'entrée, les ailettes du rotor comportant sur leur bord de fuite des ouvertures alignées d'une façon générale avec la ligne médiane de courbure de ces ailettes 5 et le compresseur comportant un dispositif pour envoyer de l'air sous pression à travers les ouvertures de ces ailettes tournantes avec une vitesse suffisante pour supprimer au moins substantiellement les sillages aux bords de fuite de ces ailettes tournantes» 6o Compresseur ou soufflante selon la revendication 5 10 caractérisé en ce que l'échappement dans la direction axiale entre les ailettes directrices d'entrée et les ailettes tournantes est compris entre 0,1 et 1,0 fois la longueur de corde des ailettes» 7» Compresseur ou soufflante selon la revendication 5 15 caractérisé en ce que les ailettes directrices d'entrée et les ailettes du rotor sont creuses et les ouvertures des ailettes directrices d'entrée et. des ailettes tournantes ont la forme de fentes disposées dans les parties d'extrémité des ailettes avec une longueur radiale égale à environ 10 à 50$ de la longueur des 20 ailettes directrices d'entrée et des ailettes du rotor, respectivement» Ô. Compresseur ou soufflante selon la revendication 7 caractérisé en ce que les fentes ont une largeur croissante d'une valeur minimale aux extrémités radialement à l'intérieur et une 25 largeur maximale aux extrémités voisines des extrémités des ailettes .