Brevet FR3027623A1 — publié le 20160429

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des aubes mobiles d'une turbomachine, et plus particulièrement aux aubes mobiles dont le sillage impacte une surface aérodynamique en aval. De façon connue en soi, une telle configuration se retrouve dans de nombreux systèmes propulsifs, par exemple entre le rotor amont et le rotor aval d'un doublet d'hélice contrarotative ou d'une soufflante contrarotative d'un turboréacteur, entre une hélice et la voilure ou une hélice et le compresseur d'un turbopropulseur, entre la soufflante et les aubes de redressement du flux secondaire (dites aussi OGV pour Outlet Guide Vane) ou entre la soufflante et le compresseur d'une turbosoufflante, entre le rotor et le pylône d'une hélice ou d'un doublet d'hélice installé en arrière du fuselage d'un turbopropulseur. Classiquement, le sillage du rotor impacte l'élément en aval à intervalle de temps constant. Toutefois, comme l'illustre la figure 1 qui montre une interaction entre les aubes 10 de rotor d'une soufflante et un OGV 12, toutes les aubes génèrent des sillages identiques 14 présentant une répartition azimutale 16 constante. Or, cette particularité est problématique car elle engendre une concentration d'énergie sur une seule fréquence, ce qui provoque l'émergence d'une raie 18, dite d'interaction illustrée à la figure 2, dans le spectre de bruit du moteur. Objet et résumé de l'invention La présente invention vise donc à pallier un tel inconvénient en proposant une aube mobile de turbomachine présentant un état de surface modifié au niveau de son bord de fuite. L'invention vise également à conserver la tenue mécanique générale de l'aube, pièce soumise à des contraintes mécaniques très importantes. A cet effet, il est prévu une aube mobile de turbomachine comprenant un bord de fuite, caractérisée en ce que ledit bord de fuite comporte un état de surface modifié permettant d'altérer la vitesse de l'écoulement circulant autour de l'aube de façon à modifier l'interaction acoustique sur des éléments de structure qui interagissent avec ledit écoulement en aval de ladite aube mobile. Ainsi, en modifiant l'état de surface de chaque aube au niveau de son bord de fuite, on obtient une répartition azimutale des sillages non constante (avec des angles de propagation différents) qui a pour effet de transformer le spectre de bruit associé en convertissant la raie d'interaction ciblée, préjudiciable à la turbomachine, en une multitude de raies d'amplitudes réduites. De préférence, ledit état de surface modifié est présent sur une 10 zone allant de au plus 50% de la corde de l'aube jusqu'audit bord de fuite et avantageusement sur toute la hauteur de l'aube. De préférence, ladite zone s'étend, selon ladite corde de l'aube, sur une longueur différente entre deux aubes consécutives. Selon un mode de réalisation envisagé, ledit état de surface 15 modifié peut être présent sur le côté extrados de l'aube et peut comporter l'application d'une peinture texturée ou le collage d'un matériau faisant office de peau rugueuse, de façon à ralentir l'écoulement à l'approche dudit bord de fuite. Selon un autre mode de réalisation envisagé, ledit état de 20 surface modifié est présent sur le côté intrados de l'aube et peut comporter l'application d'une peinture texturée ou le collage d'un matériau assurant une surface plus efficace d'un point de vue aérodynamique, telle une « peau de requin », de façon à accélérer l'écoulement à l'approche dudit bord de fuite. 25 L'invention concerne également un rotor de turbomachine comportant une aube mobile telle que précitée. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 30 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 illustrant l'impact du sillage d'un rotor sur un élément en aval selon l'état de l'art ; 35 - la figure 2 montre une raie d'interaction apparaissant dans le spectre de bruit du moteur mettant en oeuvre le rotor de la figure 1; - la figure 3 est une vue illustrant l'impact du sillage d'un rotor dont les aubes mobiles ont été modifiées conformément à l'invention ; et - les figures 3A à 3C illustrent deux exemples d'aubes modifiées conformément à l'invention et le spectre de bruit en résultant. Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 3 représente sous une forme de développé partiel (ou déroulé) une rangée d'aubes mobiles 20 d'une turbomachine, par exemple des aubes de rotor de soufflante, conformes à la présente invention. Conformément à l'invention, il est proposé de modifier localement l'état de surface de l'aube, en intrados ou extrados, sur une zone allant de au plus 50% de la corde jusqu'au bord de fuite 20A, pour traiter les sillages, qui se propagent vers l'aval (à une échelle de propagation importante) sur les éléments de structure, et modifier l'interaction acoustique sur ces éléments qui en résulte. La modification de l'état de surface de l'aube permet d'obtenir une modification de la vitesse de l'écoulement circulant autour de l'aube en désorganisant la structure du sillage 21A (qui ne présente alors plus une répartition azimutale 21B constante) généré par la roue d'aubes (le rotor) dans le but d'agir contre la périodicité de l'interaction associée à l'impact du sillage sur les surfaces qui interagissent avec l'écoulement en aval (par exemple l'OGV de la figure 1). En outre, il s'y ajoute une altération de la nature de l'écoulement, c'est-à-dire une modification du taux de turbulence et plus particulièrement une augmentation de ce taux pour améliorer la tenue aux phénomènes de décollement de la couche limite. Dans le cas d'une surface dont l'état est modifié en aval de l'extrados, il s'agit d'obtenir une rugosité plus forte de façon à ralentir l'écoulement à l'approche du bord de fuite et ainsi obtenir l'effet recherché. Par contre, dans le cas d'une surface dont l'état est modifié en aval de l'intrados, il s'agit d'une part d'obtenir une surface plus efficace d'un point de vue aérodynamique, de façon à accélérer l'écoulement à l'approche du bord de fuite et aussi d'autre part, d'obtenir l'effet recherché d'altération de l'écoulement. Pour ce faire, selon un premier mode de réalisation de la figure 3A (modification de l'état de surface de l'aube en extrados), l'aube 20 est pourvue d'une partie de surface rugueuse 22 (l'épaisseur a été volontairement exagérée pour une meilleure illustration) dont l'objectif est de créer une zone où les frottements sont augmentés pour ralentir l'écoulement localement. Cette zone est positionnée sur l'extrados, car la vitesse de l'écoulement y est la plus importante, et donc le potentiel de décélération y est plus intéressant. De plus, il s'agit d'une zone sujette aux décollements de la couche limite et donc pénalisante pour la performance aérodynamique et acoustique. Augmenter la rugosité à cet endroit permet donc aussi d'éviter ce type de phénomène (c'est-à-dire minimiser l'apparition du décollement de la couche limite). La mise en oeuvre de cette surface peut se faire par l'application d'une peinture texturée ou par le collage d'un matériau faisant office de peau rugueuse. Ainsi, la réduction de la vitesse du côté extrados du profil aérodynamique de l'aube a pour conséquence d'une part de modifier la forme du sillage comme le montre la courbe de vitesse 24 du sillage initial pour une aube standard (avec un très net (partie en creux) déficit de vitesse caractérisant le sillage) et celle 26 pour le sillage modifié et d'autre part d'agir sur les caractéristiques de sa propagation (positionnement azimutal, direction de propagation). De préférence, la surface rugueuse 22 est positionnée en proximité étroite avec le bord de fuite 20A (de préférence à partir de 50% et jusqu'à 100% de la corde), ce qui permet de minimiser la pénalité sur le rendement (car cette zone est la moins chargée d'un point de vue aérodynamique), et d'agir directement au niveau de la naissance du sillage pour maximiser l'action sur l'écoulement. En outre, elle s'étend avantageusement sur toute la hauteur de l'aube. Dans la direction axiale (selon la corde des profils aérodynamique), sa longueur peut varier, entre des aubes consécutives, pour accentuer ou diminuer l'influence de l'aube sur l'écoulement (voir la figure 3). En effet, plus le contact entre la surface 22 et l'écoulement dure longtemps, plus l'écoulement sera influencé par cette surface. Selon un second mode de réalisation de la figure 3B (modification de l'état de surface de l'aube en intrados), l'aube 20 est pourvue d'une zone d'efficacité augmentée 28 par le recours à une technologie de type «peau de requin» (surface comportant des rainures à très petite échelle, permettant de réduire le coefficient de frottement d'une surface). Cette zone est positionnée sur l'intrados, car la vitesse de l'écoulement y est la plus faible, et donc le potentiel d'accélération y est plus intéressant. Au même titre que la surface rugueuse 22, la mise en oeuvre de cette surface en «peau de requin» 28 peut se faire par l'application d'une peinture texturée ou le collage d'un matériau faisant office de peau efficiente sur l'aube. Ainsi, l'augmentation de la vitesse du côté intrados a pour conséquence de modifier la forme du sillage comme l'illustre la même courbe de vitesse 24 du sillage initial et celle 30 du sillage modifié et d'agir sur les caractéristiques de sa propagation (positionnement azimutal, direction de propagation). Ainsi, en faisant varier le niveau d'efficacité aérodynamique (rugosité ou efficacité de la surface en «peau de requin») entre les aubes consécutives, on influence de façon différente les sillages de ces aubes en répartissant l'énergie de l'interaction acoustique (impact du sillage sur une surface) non plus au niveau d'une raie seule d'interaction mais, comme le montre la figure 3C, sur plusieurs fréquences ayant en outre un niveau maximal de bruit inférieur au niveau maximal selon l'état de la technique illustré par la figure 2, ce qui permet de contrôler la vitesse de façon asymétrique au niveau du bord de fuite d'aube. On notera que si l'invention a été illustrée au regard de deux profils d'aubes consécutives seulement, son principe est bien entendu extensible à plus de deux profils d'aubes et, à l'extrême, il est possible d'envisager de n'utiliser que des profils différents produisant des sillages consécutifs tous différents, soit autant de géométries de surface différentes (tant en positionnement qu'en étendue) que d'aubes (par exemple 12 géométries différentes pour un rotor à 12 aubes). En effet, plus le nombre de surfaces différentes est élevé, plus le contenu fréquentiel est réparti, donc plus le niveau de pression acoustique (dit aussi SPL pour Sound Pressure Level) maximum observé sera faible assurant une déstructuration maximale du sillage aérodynamique. Toutefois, il apparait préférable de respecter l'équilibrage mécanique du rotor sur 360° avec des profils d'aubes opposées. Par exemple, pour une hélice à 12 aubes on pourrait utiliser 6 géométries d'aubes différentes pour générer 2 fois 6 sillages différents. L'invention présente de nombreux avantages, notamment dans sa mise en oeuvre qui : - est très simple, bon marché, et ne demande aucune modification majeure, c'est-à-dire structurelle, des aubes, - ne présente pas de pénalité de masse, la modification de l'état de surface présentant une épaisseur considérée comme négligeable, - ne présente pas non plus de réelle pénalité sur les performances aérodynamiques du rotor qui au contraire sont plutôt améliorées (amélioration de la tenue au décollement de la couche limite grâce à la surface rugueuse ou amélioration du rendement grâce à la surface en «peau de requin»). REVENDICATIONS1. Aube mobile de turbomachine comprenant un bord de fuite (20A), caractérisée en ce que ledit bord de fuite comporte un état de surface modifié (22, 28) permettant d'altérer la vitesse de l'écoulement circulant autour de l'aube de façon à modifier l'interaction acoustique sur des éléments de structure (12) qui interagissent avec ledit écoulement en aval de ladite aube mobile. 2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit état de surface modifié est présent sur une zone allant de au plus 50% de la corde de l'aube jusqu'audit bord de fuite. 3. Aube selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit état de surface modifié est présent sur toute la hauteur de l'aube. 4. Aube selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce que ladite zone s'étend, selon ladite corde de l'aube, sur une longueur différente entre deux aubes consécutives. 5. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit état de surface modifié est présent sur le côté extrados de l'aube. 6. Aube selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit 25 état de surface modifié comporte l'application d'une peinture texturée ou le collage d'un matériau faisant office de peau rugueuse, de façon à ralentir l'écoulement à l'approche dudit bord de fuite. 7. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit 30 état de surface modifié est présent sur le côté intrados de l'aube. 8. Aube selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit état de surface modifié comporte l'application d'une peinture texturée ou le collage d'un matériau assurant une surface plus efficace d'un point de 35 vue aérodynamique, de façon à accélérer l'écoulement à l'approche dudit bord de fuite. 9. Aube selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit état de surface modifié présente un état de surface de type « peau de requin ». 10. Rotor de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'aubes mobiles (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes.