Brevet FR3090744A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Moteur à turbine à gaz ayant une signature de bruit améliorée [0001] La présente description concerne un moteur à turbine à gaz ayant une signature de bruit améliorée. [0002] Les moteurs à turbine à gaz sont typiquement optimisés pour fournir un rendement élevé, parce que celui-ci entraîne généralement une consommation de carburant plus basse, et donc des coûts de fonctionnement plus bas. Cependant, le bruit engendré par un moteur à turbine à gaz utilisé pour propulser un aéronef est un facteur important du fait de l'impact que le bruit d'aéronef peut avoir sur les communautés. [0003] En cc sens, des moteurs à turbine à gaz engendrent une proportion significative du bruit produit par un aéronef. Les réglementations définissent un « niveau effectif de bruit perçu » (EPNL) qui est une mesure de l'impact du bruit engendré tel que perçu par l'oreille humaine, en tenant compte de facteurs tels que la fréquence, le niveau absolu, les composantes tonales et la durée du bruit. [0004] Un moteur à turbine à gaz à double flux comprend un certain nombre de sources de bruit différentes. Par exemple, la soufflante elle-même est une source de bruit, et ce bruit de soufflante peut être séparé en deux composantes distinctes : une composante qui émane dans une direction vers l'avant à partir de l'avant du moteur ; et unc composante qui émane dans une direction vers l'arrière depuis l'arrière du moteur. D'autres sources de bruit incluent (mais sans s'y limiter) le bruit provenant du courant-jet évacué du moteur, le bruit provenant de la turbine à l'arrière du moteur, et le bruit provenant de l'installation du moteur sur l'aéronef [0005] 11 est souhaitable de réduire le bruit perçu d'un moteur à turbine à gaz de façon à réduire l'impact du bruit sur l'oreille humaine. [0006] Selon un aspect on fournit un moteur à turbine à gaz pour un aéronef comprenant : [0007] un coeur de moteur comprenant une turbine, un compresseur, et un arbre de coeur reliant la turbine au compresseur ; [0008] une soufflante située en amont du coeur de moteur,la soufflante comprenant unc pluralité d'aubes de soufflante ; et [0009] un réducteur qui reçoit une entrée depuis l'arbre de coeur et délivre en sortie un en- traînement à la soufflante de façon à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation plus basse que l'arbre de coeur, dans lequel : [0010] la contribution de la turbine au niveau effectif de bruit perçu (EPNL) au niveau d'un point de référence latéral au décollage, défini comme le point sur une ligne parallèle à et à 450 m de la ligne centrale de piste où l'EPNL est maximal pendant le décollage, est 2 dans la plage allant de 15 EPNdB à 40 EPNdB inférieure à la contribution du bruit de soufflante émanant de l'arrière du moteur à l'EPNL au niveau du point de référence latéral au décollage. [0011] Selon un aspect, on fournit un procédé de fonctionnement d'un aéronef comprenant un moteur à turbine à gaz, dans lequel le moteur à turbine à gaz comprend : [0012] un coeur de moteur comprenant une turbine, un compresseur, et un arbre de coeur reliant la turbine au compresseur ; [0013] une soufflante située en amont du coeur de moteur, la soufflante comprenant une pluralité d'aubes de soufflante ; et [0014] un réducteur qui reçoit une entrée depuis l'arbre de coeur et délivre en sortie un en- traînement à la soufflante de façon à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation plus basse que l'arbre de coeur, et dans lequel [0015] le procédé comprend le décollage à partir d'une piste, pendant lequel la contribution de la turbine au niveau effectif de bruit perçu (EPNL) au niveau d'un point de référence latéral au décollage, défini comme le point sur une ligne parallèle à et à 450 m de la ligne centrale de piste où l'EPNL est maximal pendant le décollage, est dans la plage allant de 15 EPNdB à 40 EPNdB inférieure à la contribution du bruit de soufflante émanant de l'arrière du moteur à l'EPNL au niveau du point de référence latéral au décollage. [0016] Selon un aspect, on fournit un procédé de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz fixé à un aéronef, dans lequel le moteur à turbine à gaz comprend : [0017] un coeur de moteur comprenant une turbine, un compresseur, et un arbre de coeur reliant la turbine au compresseur ; [0018] une soufflante située en amont du coeur de moteur, la soufflante comprenant une pluralité d'aubes de soufflante ; et [0019] un réducteur qui reçoit une entrée depuis l'arbre de coeur et délivre en sortie un en- traînement à la soufflante de façon à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation plus basse que l'arbre de coeur, et dans lequel [0020] le procédé comprend l'utilisation du moteur à turbine à gaz pour fournir une poussée à l'aéronef pour décoller d'une piste, pendant laquelle la contribution de la turbine au niveau effectif de bruit perçu (EPNL) au niveau d'un point de référence latéral au décollage, défini comme le point sur une ligne parallèle à et à 450 m de la ligne centrale de piste où 1'EPNL est maximale pendant le décollage, est dans la plage allant de 15 EPNdB à 40 EPNdB inférieure à la contribution du bruit de soufflante émanant de l'arrière du moteur à 1'EPNL au niveau du point de référence latéral au décollage. [0021] Comme il est fait référence ici, y compris dans les revendications, le niveau effectif de bruit perçu (EPNL) est tel que calculé de manière classique, tel que défini dans l'Appendice 2 de la Cinquième édition (juillet 2008) de l'Annexe 16 (Protection de 3 l'environnement) à la Convention relative à l'aviation civile internationale, Volume 1 (Bruit d'aéronef). Dans un souci d'exhaustivité, le calcul de l'EPNL à partir de données de bruit mesurées est tel que défini dans la Section 4 de l'Appendice 2 de la Cinquième édition (juillet 2008) de l'Annexe 16 (Protection de l'environnement) à la Convention relative à l'aviation civile internationale, Volume 1 (Bruit d'aéronef), de la page APP 2-13 à APP 2-21. Dans un souci d'exhaustivité, l'EPNL est défini aux conditions atmosphériques de référence fournies dans la Section 3.6.1.5 de la Cinquième édition (juillet 2008) de l'Annexe 16 (Protection de l'environnement) à la Convention relative à l'aviation civile internationale, Volume 1 (Bruit d'aéronef). [0022] Comme il est fait référence également ici, le point de référence latéral au décollage est défini comme le point sur une ligne parallèle à et à 450 m de la ligne centrale de piste où l'EPNL est maximal pendant le décollage, comme défini dans la Section 3.3.1, a), 1) de la Cinquième édition (juillet 2008) de l'Annexe 16 (Protection de l'environnement) à la Convention relative à l'aviation civile internationale, Volume 1 (Bruit d'aéronef). [0023] D'une manière classique, la contribution de la turbine à l'EPNL au niveau du point de référence latéral au décollage serait beaucoup plus proche de - et dans certains cas identique à, ou même supérieure à - la contribution du bruit de soufflante émanant de l'arrière du moteur (également désigné ici « bruit de soufflante arrière ») à l'EPNL au niveau du point de référence latéral au décollage. Ainsi, pour un niveau donné de bruit de soufflante arrière, des moteurs à turbine à gaz conformément à la présente description ont un EPNL combiné de turbine et de soufflante arrière plus bas au niveau du point de référence latéral au décollage, et donc ont un impact de bruit plus faible sur des communautés au voisinage de la piste. [0024] Les présents inventeurs ont réalisé que pour une puissance donnée d'un moteur à turbine à gaz, l'utilisation d'un réducteur entre la soufflante et la turbine qui entraîne la soufflante permet au bruit de turbine d'être réduit par rapport au bruit de soufflante arrière, parce que la vitesse de rotation accrue de la turbine (par rapport à la soufflante) permet à la fréquence d'au moins certaines des tonalités générées par la turbine (dont au moins certaines peuvent être dénommées fréquences fondamentales de passage d'aube) d'être augmentée, dans certains cas à des niveaux qui ne sont pas bien perçus (ou pas du tout perçus) par l'oreille humaine. De telles fréquences accrues peuvent également être soumises à une augmentation d'atténuation atmosphérique par rapport à des fréquences classiques de turbine. À ce titre, ces tonalités sont moins bien perçues par l'oreille humaine (et éventuellement au moins certaines tonalités ne sont pas du tout perçues par l'oreille humaine), et sont donc données à une pondération plus faible dans le calcul d'EPNL (même une pondération nulle si la fréquence est suffisamment élevée), ce qui réduit la contribution du bruit de turbine à l'EPNL par rapport au bruit de soufflante arrière. [0025] Dans certains agencements, la contribution de la turbine à l'EPNL au niveau du point de référence latéral au décollage peut être dans la plage allant de 20 EPNdB à 40 EPNdB, 25 EPNdB à 40 EPNdB, par exemple 25 EPNdB à 35 EPNdB, par exemple 27 EPNdB à 33 EPNdB, inférieure à la contribution du bruit de soufflante émanant de l'arrière du moteur à l'EPNL au niveau du point de référence latéral au décollage. [0026] Des agencements de la présente description peuvent être particulièrement avantageux pour des soufflantes qui sont entraînées par l'intermédiaire d'un réducteur. L'entrée vers le réducteur peut être directement à partir de l'arbre de coeur, ou indirectement à partir de l'arbre de coeur, par exemple par l'intermédiaire d'un arbre et/ou engrenage droits. L'arbre de coeur peut solidariser la turbine et le compresseur, de telle sorte que la turbine et le compresseur tournent à la même vitesse (avec la soufflante tournant à une vitesse plus basse). [0027] Le moteur à turbine à gaz tel que décrit et/ou revendiqué ici peut avoir n'importe quelle architecture générale appropriée. Par exemple, le moteur à turbine à gaz peut avoir n'importe quel nombre souhaité d'arbres qui relient des turbines et des compresseurs, par exemple un, deux ou trois arbres. À titre d'exemple uniquement, la turbine reliée à l'arbre de coeur peut être une première turbine, le compresseur relié à l'arbre de coeur peut être un premier compresseur, et l'arbre de coeur peut être un premier arbre de coeur. Le coeur de moteur peut comprendre en outre une deuxième turbine, un deuxième compresseur et un deuxième arbre de coeur reliant la deuxième turbine au deuxième compresseur. La deuxième turbine, le deuxième compresseur et le deuxième arbre de coeur peuvent être agencés pour tourner à une vitesse de rotation plus élevée que le premier arbre de coeur. Dans un tel agencement, la contribution de la turbine à l'EPNL au niveau du point de référence latéral au décollage selon n'importe quel aspect décrit et/ou revendiqué ici peut être uniquement la contribution de la première turbine à l'EPNL au niveau du point de référence latéral au décollage. [0028] Dans un tel agencement, le deuxième compresseur peut être positionné axialement en aval du premier compresseur. Le deuxième compresseur peut être agencé pour recevoir (par exemple recevoir directement, par exemple par l'intermédiaire d'un conduit généralement annulaire) un flux depuis le premier compresseur. [0029] Le réducteur peut être agencé pour être entraîné par l'arbre de coeur qui est configuré pour tourner (par exemple en cours d'utilisation) à la vitesse de rotation la plus basse (par exemple le premier arbre de coeur dans l'exemple ci-dessus). Par exemple, le réducteur peut être agencé pour être entraîné uniquement par l'arbre de coeur qui est configuré pour tourner (par exemple en cours d'utilisation) à la vitesse de rotation la plus basse (par exemple uniquement par le premier arbre de coeur, et non le deuxième arbre de coeur, dans l'exemple ci-dessus). En variante, le réducteur peut être agencé pour être entraîné par n'importe quel ou n'importe quels arbre(s), par exemple les premier et/ou deuxième arbres dans l'exemple ci-dessus. [0030] Le réducteur est une boîte de réduction (en ce que la sortie vers la soufflante est à une vitesse de rotation plus basse que rentrée depuis l'arbre de coeur). N'importe quel type de réducteur peut être utilisé. Par exemple, le réducteur peut être un réducteur « planétaire » ou « en étoile », tel que décrit d'une manière plus détaillée ailleurs dans le présent document. Le réducteur peut avoir n'importe quel rapport de réduction (défini comme la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée divisée par la vitesse de rotation de l'arbre de sortie), selon le besoin pour qu'un moteur à turbine à gaz particulier ait la contribution relative de bruit de turbine et de bruit de soufflante arrière à l'EPNL au niveau du point de référence latéral au décollage dans les plages décrites et/ou revendiquées ici. Par exemple, le rapport d'engrenage peut être supérieur à 2,5 et/ou inférieur à 5. À titre d'exemple plus spécifique, le rapport d'engrenage peut être dans la plage allant de 3,2 à 5, ou 3,2 à 4,2, ou 3,3 à 3,7. À titre d'exemple supplémentaire, le rapport d'engrenage peut être de l'ordre de, ou d'au moins 3, 3,1, 3,2, 3,3, 3,4, 3,5, 3,6, 3,7, 3,8, 3,9, 4, 4,1 ou 4,2, ou entre deux quelconques des valeurs dans ce paragraphe. Dans certains agencements, le rapport d'engrenage peut être à l'extérieur de ces plages. [0031] La turbine qui entraîne la soufflante via le réducteur peut comprendre au moins deux étages de rotor axialement séparés. Par exemple, la turbine qui entraîne la soufflante via le réducteur peut comprendre deux, trois, quatre, cinq ou plus de cinq étages de rotor axialement séparés. Un étage de rotor peut faire partie d'un étage de turbine qui comprend également un étage d'aube de stator, qui peut être axialement séparé de l'étage de rotor respectif de l'étage de turbine. Chaque étage de rotor de la turbine qui entraîne la soufflante via le réducteur peut être séparé d'au moins un étage de rotor immédiatement en amont et/ou en aval par une rangée d'aubes de stator. [0032] Le nombre d'aubes de turbine dans les étages de rotor de la turbine qui entraîne la soufflante via le réducteur peut influencer la fréquence d'au moins certaines des tonalités engendrées par la turbine, et ainsi peut aider à permettre à la fréquence ou aux fréquences fondamentales d'être déplacées vers une plage où elles sont moins bien perçues par l'oreille humaine (et éventuellement non perçues du tout par l'oreille humaine). [0033] Chacun des étages de rotor de la turbine qui entraîne la soufflante via le réducteur peut comprendre dans la plage allant de 60 à 140 aubes de rotor, par exemple dans une plage ayant une limite inférieure quelconque parmi 70, 75, 80, 85 ou 90, et une limite supérieure quelconque parmi 140, 130, 120 ou 110, par exemple dans la plage allant de 80 à 140 aubes de rotor. [0034] Le nombre moyen d'aubes de rotor dans un étage de rotor de la turbine qui entraîne la 6 soufflante via le réducteur peut être dans la plage allant de 65 à 120 aubes de rotor, par exemple dans une plage ayant une limite inférieure quelconque parmi 65, 70, 75, 80, 85 ou 90, et une limite supérieure quelconque parmi 120, 115, 110 ou 105, par exemple dans la plage allant de 85 à 120 aubes de rotor. [0035] Le nombre d'aubes de rotor dans l'étage de rotor de turbine le plus axialement vers l'arrière de la turbine qui entraîne la soufflante via le réducteur peut être dans la plage allant de 60 à 120 aubes de rotor, par exemple dans une plage ayant une limite inférieure quelconque parmi 60, 65, 70, 75, 80, 85 ou 90, et une limite supérieure quelconque parmi 120, 115, 110 ou 105, par exemple 80 à 120 aubes de rotor. [0036] Comme indiqué ailleurs dans le présent document, la turbine qui entraîne la soufflante via le réducteur peut comprendre au moins deux étages de rotor axialement séparés. La turbine qui entraîne la soufflante via le réducteur peut avoir une vitesse de rotation au niveau du point de référence latéral au décollage de WIrp tr/min. Lc nombre minimal d'aubes de rotor dans n'importe quel étage de rotor unique de la turbine qui entraîne la soufflante via le réducteur peut être donné par NTURBmin. Le diamètre de la soufflante peut être donné par cpfan. Un paramètre de système à faible vitesse (LSS) peut être défini comme : [Math 1] = WIrp x NTURBmin x [0037] La valeur du paramètre de système à faible vitesse (LSS) peut être donnée par : [Math 2] 1,3 x 106 mir I min