Brevet FR2980818A1 — publié le 20130405

La présente invention concerne une pale pour une hélice de turbomachine, notamment à soufflante non carénée, une hélice et une turbomachine correspondantes. Bien que la présente invention soit particulièrement adaptée aux turbomachines à souf- flante non carénée (désignées en anglais « open rotor » ou bien encore « unducted fan »), sa mise en oeuvre n'en est toutefois pas limitée à une telle application. De façon connue, une turbomachine à soufflante non carénée peut comprendre deux hélices externes coaxiales et contrarotatives, respectivement amont (avant) et aval (arrière), qui sont chacune entraînées en rotation par une turbine et qui s'étendent, sensiblement radialement, à l'extérieur de la nacelle de la turbomachine. Chaque hélice comprend usuellement un moyeu concentrique à l'axe longitudinal de la turbomachine, sur lequel sont fixées des pales. Cependant, l'interaction aérodynamique entre les hélices contrarotatives amont et aval d'une telle turbomachine à soufflante non carénée engendre des niveaux acoustiques de fonc- 1 5 tionnement élevés. En effet, la rotation des pales des hélices contrarotatives amont et aval provo- que la formation : - de sillages le long de l'envergure des pales, en aval de celles-ci ; - de tourbillons marginaux à l'extrémité libre des pales ; et - de turbulences à la base des pales. 20 Ces perturbations aérodynamiques en aval de l'hélice amont sont à l'origine de bruit aérodyna- mique d'interaction lorsqu'elles heurtent l'hélice aval ou passent à proximité de celle-ci. En particulier, lors des phases de fonctionnement à basse vitesse d'une turbomachine à soufflante non carénée (telles que, lorsqu'elle est montée sur un aéronef, le roulage, le décollage, l'atterrissage et l'approche), la contribution dominante du bruit rayonné provient des raies 25 d'interaction associées à l'hélice aval qui fonctionne dans le flux de l'hélice amont, en traversant les nappes tourbillonnaires constituées de sillages et tourbillons marginaux formés par les pales de l'hélice amont (également désignées pales amont). Lorsqu'un tourbillon marginal de pales amont interagit avec les pales de l'hélice aval (autrement appelées pales aval), l'interaction pale aval - tourbillon marginal domine le spectre acoustique rayonné pour la plupart des directivités. 30 Aussi, pour réduire les émissions sonores indésirables de telles turbomachines et ainsi sa- tisfaire aux critères de certifications acoustiques imposés par les autorités aériennes, il est nécessaire de réduire le bruit rayonné à basse vitesse en réduisant l'interaction pale aval - tourbillon marginal. Actuellement, la solution connue la plus répandue - dénommée écrêtage (ou « clipping » en anglais) - consiste à réduire le diamètre de l'hélice aval, de manière à faire passer les tourbillons marginaux engendrés par les pales amont à l'extérieur des pales aval pour limiter l'interaction de ces dernières avec les tourbillons marginaux. Cela implique généralement une augmentation de la corde des pales aval pour maintenir la traction désirée et le rapport de couple entre les hélices amont et aval. Une telle solution peut être poussée à l'extrême en chargeant très fortement l'extrémité des pales amont, de manière à décharger le reste de chacune des pales amont pour réduire l'impact du sillage de l'hélice amont sur l'hélice aval, également à l'origine de bruit d'interaction indésirable. Cependant, une telle solution ne s'avère acceptable que pour une configuration isolée de la turbomachine (c'est-à-dire sans élément extérieur relié à celle-ci) et sans incidence. En présence d'éléments (mât, fuselage) ou d'incidence, la contraction et l'axisymétrie de l'écoulement d'air derrière l'hélice amont sont modifiées, de sorte que l'écrêtage réalisé ne prévient plus l'interaction des pales aval et des tourbillons marginaux engendrés par les pales amont. Une ré- duction importante de la hauteur des pales aval (correspondant à un écrêtage important) implique une augmentation de la corde associée aux pales aval de façon à conserver la charge, ce qui dégrade le rendement de la turbomachine associée et n'est donc pas satisfaisant. La présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient et, notamment, de réduire sensiblement le bruit rayonné par une turbomachine à soufflante non carénée à double héli- ces contrarotatives en affaiblissant l'interaction pale aval - tourbillon marginal. A cette fin, selon l'invention, la pale pour une hélice de turbomachine, notamment à soufflante non carénée, est remarquable par le fait qu'elle comporte des moyens agencés à un unique emplacement pour perturber localement, lors de la rotation de l'hélice, la répartition de la circulation autour de la pale, de manière à former deux tourbillons principaux indépendants en aval. Ainsi, grâce à l'invention, on modifie la répartition de la circulation autour de la pale de façon à provoquer deux tourbillons principaux : - un premier tourbillon naturel (ou tourbillon marginal) se formant à l'extrémité libre de la pale; - un second tourbillon forcé distinct (ou tourbillon principal supplémentaire) ayant lieu au voisinage des moyens de perturbation. Les tourbillons marginal et supplémentaire sont co-rotatifs (c'est-à-dire qu'ils présentent un même sens de rotation) et restent indépendants l'un de l'autre jusqu'à hélice aval. Grâce à l'invention, on réalise une modification de la distribution de la circulation autour d'une position locale unique et on aboutit à la formation de deux tourbillons - de plus faible intensité que l'unique tourbillon marginal actuellement observé - qui ne fusionnent pas ensemble. En outre, les performances d'une hélice amont comprenant des pales conformes à l'invention ne sont pas modifiées par rapport à une hélice amont équipée de pales dépourvues des moyens de perturbation de l'invention. Selon un mode de réalisation conforme à la présente invention, les moyens perturbateurs comportent une unique excroissance formée sur le bord d'attaque de la pale, ce qui permet la création des tourbillons marginal et supplémentaire co-rotatif accompagnée de la formation de tourbillons auxiliaires contra-rotatifs (c'est-à-dire qu'ils présentent un sens de rotation inverse de celui des deux tourbillons co-rotatifs) intercalés entre les deux tourbillons co-rotatifs, ce qui prévient leur fusion et les maintient indépendants l'un de l'autre jusqu'aux pales de l'hélice aval. Il est à noter que l'ajout d'une excroissance supplémentaire conduit à la fusion rapide des deux tourbillons marginal et supplémentaire, ce qui n'est pas souhaitable. De façon avantageuse, l'unique excroissance peut être définie par : - sa position en envergure h de telle façon que 0,75H Sur la figure 1, on a représenté, de façon schématique, une turbomachine 1 à soufflante non carénée, conforme à l'invention, qui comporte d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz (symbolisés par la flèche F) à l'intérieur de la turbomachine d'axe longitudinal L-L, un compresseur 2, une chambre annulaire de combustion 3, une turbine haute pression 4 et deux turbines basse pression 5 et 6 qui sont contrarotatives, c'est-à-dire qu'elles tournent dans deux sens opposés autour de l'axe longitudinal L-L. Chacune des turbines basse pression 5 et 6 est solidaire en rotation d'une hélice externe 7, 8 s'étendant radialement à l'extérieur de la nacelle 9 de la turbomachine 1, la nacelle 9 étant sensiblement cylindrique et s'étendant le long de l'axe L-L autour du compresseur 2, de la chambre de combustion 3 et des turbines 4, 5 et 6. Les gaz de combustion sortant des turbines sont expul- sés à travers une tuyère 10 pour augmenter la poussée. Les hélices 7 et 8 sont disposées coaxialement l'une derrière l'autre et comportent une pluralité de pales 11A et 11B équi-angulairement réparties autour de l'axe longitudinal L-L. Les pales 11A et 11B s'étendent sensiblement radialement et sont du type à calage variable, c'est-à- dire qu'elles peuvent tourner autour de leur axe longitudinal de manière à optimiser leur position angulaire en fonction des conditions de fonctionnement souhaitées de la turbomachine 1. Bien entendu, en variante, les pales des hélices pourraient également être à calage fixe. Chaque hélice amont 7 ou aval 8 comprend un moyeu rotatif 12, 13 supportant les pales 11A, 11B et disposé de façon concentrique à l'axe longitudinal L-L de la turbomachine 1, per- pendiculairement à celui-ci. Les pales amont 11A et aval 11B sont chacune formées d'un corps de pale 14 et d'un pied de pale 15, monté de façon rotative sur le moyeu 12, 13 correspondant. Dans la réalisation de la figure 2 conforme à l'invention, chaque pale 11A de l'hélice amont 7 comporte une unique excroissance 16 formée sur le bord d'attaque 17 de ladite pale 11A considérée. En outre, l'unique excroissance 16, de forme arrondie, est avantageusement définie par les paramètres suivants : - sa position en envergure h, qui est comprise entre 0,75H et 0,85H, avec H la hauteur de la pale amont 11A ; - sa hauteur en envergure d, qui est comprise entre 0,05H et 0,2H ; et - sa largeur en corde 1, qui est comprise entre c/16 et c/8, avec c la longueur de la corde locale de la pale à la position en envergure h de ladite excroissance 16. Ainsi, l'unique excroissance permet une perturbation de la répartition de la circulation autour de la pale amont 11A, ce qui provoque deux tourbillons principaux co-rotatifs : - un premier tourbillon naturel (ou tourbillon marginal) se formant à l'extrémité libre 18 de la pale amont 11A ; - un second tourbillon forcé distinct (ou tourbillon principal supplémentaire) ayant lieu au voisinage de l'unique excroissance 16. En outre, l'unique excroissance 16 entraîne également la formation de tourbillons auxi- liaires contra-rotatifs (c'est-à-dire de sens contraire aux deux tourbillons marginal et supplémentaire) qui s'intercalent entre les deux tourbillons principaux co-rotatifs empêchant ainsi leur fusion. Autrement dit, lors de la rotation de l'hélice amont 7, l'unique excroissance 16 vient per- turber localement la répartition de la circulation autour de la pale amont 11A, de manière à for- mer deux tourbillons principaux indépendants en aval et qui le restent jusqu'à l'hélice aval 8. Par ailleurs, on a représenté sur les figures 3 à 5 trois variantes de réalisation de l'excroissance de la pale amont 11A, conformes à l'invention. En particulier, les excroissances 16A et 16B des figures 3 et 4 présentent une forme res- pectivement triangulaire et rectangulaire. Les paramètres associées h, d et 1 sont semblables à ceux de l'excroissance 16 de la figure 2. En outre, dans une autre variante conforme à l'invention, comme le montre la figure 5, une encoche 19 pratiquée dans le bord d'attaque 17 de la pale amont 11A est associée à l'excroissance 16. L'encoche 19, qui jouxte l'excroissance 16, est agencée entre cette dernière et l'extrémité libre 18 de la pale amont 11A. En variante, on pourrait envisager que l'excroissance soit agencée entre l'encoche et l'extrémité libre de la pale amont. REVENDICATIONS1. Pale pour une hélice de turbomachine, notamment à soufflante non carénée, caractérisée par le fait qu'elle comporte des moyens (16, 16A, 16B) agencés à un unique empla- cement pour perturber localement, lors de la rotation de l'hélice (7), la répartition de la circula- tion autour de la pale (11A), de manière à former deux tourbillons principaux indépendants en aval. 2. Pale selon la revendication 1, dans laquelle les moyens perturbateurs comportent une unique excroissance (16, 16A, 16B) formée sur le bord d'attaque (17) de la pale (11A). 3. Pale selon la revendication 2, dans laquelle l'unique excroissance (16, 16A, 16B) est définie par sa position en envergure h de telle façon que 0,75H 4. Pale selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle l'unique excroissance (16, 16A, 16B) est définie par sa hauteur en envergure d de telle façon que 0,05H 5. Pale selon l'une des revendications 2 à 4, dans laquelle l'unique excroissance (16, 16A, 16B) est définie par sa largeur en corde 1 de telle façon que c/16 6. Pale selon l'une des revendications 2 à 5 comprenant une encoche (19) qui est ména- gée dans le bord d'attaque (17) de ladite pale (11A) et qui jouxte ladite excroissance (16). 7. Hélice, notamment pour turbomachine à soufflante non carénée, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de pales (11A) du type de celle spécifiée sous l'une des revendications 1 à 6. 8. Turbomachine, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins une hélice (7) du type de celle spécifiée sous la revendication 7. 9. Turbomachine, selon la revendication précédente, à soufflante non carénée comportant deux hélices (7, 8) coaxiales et contrarotatives, dans laquelle au moins l'hélice amont (7) est du type de celle spécifiée sous la revendication 7.