Brevet FR3130747A1 — publié le 20230623

Un calculateur (10) tel qu’un FADEC comprend un module (11) de correction du calage de pales fixes ou tournantes d’une turbomachine d’aéronef afin de réduire leurs émissions acoustiques, en agissant sur des actionneurs (9) qui font pivoter les axes de montage des pales. Ce module recourt principalement à des mesures faites par des capteurs de pression (14) installés sur les pales ou à leur voisinage, et qui détectent notamment la possibilité d’apparition de bruits produits par des décollements de l’écoulement à la surface des pales. Figure pour l’abrégé : figure 7 TURBOMACHINE D’AERONEF COMPRENANT UN PILOTAGE DE CALAGE DE PALES PAR MESURES LOCALES DE PRESSION L’invention a trait à une turbomachine d’aéronef dotée d’un pilotage du calage de pales par mesures locales de pression. Les développements des recherches sur les turbomachines d’aéronefs font envisager l’emploi futur d’appareils à grands taux de dilution et grands diamètres, afin d’augmenter le rendement propulsif et de diminuer la consommation de carburant et des émissions de gaz polluants. Certaines de ces turbomachines ne seront pas carénées, c’est-à-dire qu’elles comprendront des roues, avec des pales exposées directement à l’air extérieur. Et certaines comprendront plusieurs roues à pales se succédant le long de la turbomachine, avec par exemple deux hélices ayant des vitesses de rotation différentes, notamment contrarotatives, ou une hélice unique associée à une roue de redresseur appartenant au stator de la turbomachine et donc composée de pales fixes. Des nombres plus importants d’hélices ou de redresseurs sont aussi envisagés. Il est encore prévu que les pales pourront avoir un calage variable, c’est-à-dire une incidence variable par rapport à l’axe de la turbomachine, afin notamment d’améliorer le rendement selon les phases du vol ou les caractéristiques de l’écoulement d’air autour des pales. Cela implique que les pales soient montées sur des axes orientés tous en direction radiale de la turbomachine, et pivotant au moyen d’actionneurs. Les pales de chacune des roues pourront avoir éventuellement des valeurs différentes de calage indépendamment réglables les unes des autres. Un inconvénient marqué des turbomachines, surtout non carénées, est leur niveau sonore, que les réglementations limitent aussi. Le bruit émis résulte d’un bruit propre des pales, produit principalement par le passage de la couche limite qui se développe sur les pales au bord de fuite des pales, et d’un bruit d’interaction entre les roues de pales quand il y en a plusieurs, produit principalement par les tourbillons d’extrémité des pales d’une roue, qui impactent la roue avec des pales qui suit. Il existe des possibilités d’atténuer les émissions acoustiques des turbomachines en agissant sur la conception des pales et des surfaces environnantes de la turbomachine, par exemple en les revêtant de couches absorbant les vibrations acoustiques. Ces procédés ont toutefois des limites. Ils sont ainsi moins indiqués pour des pales non carénées, pour lesquelles les surfaces environnantes sont. Les niveaux de bruits émis varient enfin fortement d’après les circonstances et les paramètres du vol, notamment le régime de la turbomachine et les caractéristiques de l’écoulement le long d’elles et à travers les roues à pales. L’objet premier de l’invention est de fournir un dispositif apte à réduire le bruit émis par des roues avec des pales, notamment non carénées, d’après les circonstances et les paramètres du vol. Une définition générale de l’invention est une turbomachine d’aéronef comprenant : une roue avec des pales réparties autour d’un moyeu, les pales ayant un calage variable en étant montées sur le moyeu par des axes pivotant autour de directions rayonnant autour du moyeu ; des actionneurs de réglage du calage des pales ; un calculateur commandant les actionneurs d’après des paramètres de fonctionnement de la turbomachine ; caractérisée en ce qu’elle comprend des capteurs de pression montés à des surfaces de pales et/ou des surfaces de la turbomachine adjacentes aux pales, lesdites surfaces étant exposées à des écoulements d’air extérieur autour de la turbomachine, et un module du calculateur, renseigné par lesdits capteurs, estimant des corrections du calage des pales qui permettraient d’atténuer un bruit acoustique produit par les pales et contribuant à commander les actionneurs d’après lesdites corrections du calage. La réduction du bruit est obtenue par une commande active d’adaptation du calage des pales, d’après des mesures de la pression environnante faites soit sur les pales elles-mêmes, soit à leurs alentours. La pression peut être une pression statique ou une pression instationnaire. Les corrections de calage peuvent être indépendantes pour chacune des pales. Les capteurs de pression peuvent être ou non présents sur toutes les aubes, ou seulement sur certaines d’entre elles. Les corrections de calage peuvent être déterminées en fonction d’essais préliminaires et d’après les circonstances de vol, les paramètres de l’écoulement, la vitesse de l’aéronef ou la vitesse de rotation de la turbomachine, et la nécessité plus ou moins grande de réduire ce bruit en comparaison d’autres contraintes. Il faut souligner que les mesures de pression sur les pales ou à leur voisinage permettent plus facilement de déterminer les corrections de calage aptes à réduire les émissions acoustiques, que, par exemple, des mesures directes de cette émission acoustique, dont les provenances sont nombreuses ; une cause importante du bruit est l’apparition de turbulences à la surface des pales, qu’il est facile de corréler à des paramètres mesurés de pression. Une bonne réalisation de l’invention dépendra souvent d’une bonne position des capteurs. D’après des caractéristiques préférées, ceux-ci peuvent être placés sur les pales à des hauteurs comprises entre 40 % et 95 % (ou, de façon encore plus préférée, entre 40 % et 80 %), une hauteur de 0 % correspondant à un rayon intérieur des pales, et une hauteur de 100 % à un rayon extérieur ; à des positions de corde comprises entre 0 % et 50 % (de façon encore préférée, entre 5 % et 20 %), une position de corde de 0 % correspondant à un bord d’attaque des pales, et une position de 100 % correspondant à un bord de fuite ; et à des extrados des pales. De façon encore préférée, le module du calculateur est favorablement agencé pour imposer (ou du moins soumettre aux modules de commande des actionneurs) les corrections du calage d’après une estimation d’apparition de décollements de l’écoulement d’air sur les surfaces des pales, à l’endroit de la mesure ou ailleurs, notamment en aval des capteurs sur la pale, vers le bord de fuite. Le module peut être renseigné encore par d’autres capteurs pour compléter les mesures de pression : de tels capteurs peuvent être des capteurs acoustiques ou aéromécaniques, qui mesurent respectivement le bruit émis et des efforts exercés soit dans les pales, soit par les pales sur d’autres parties de la turbomachine. Le dispositif de l’invention est avantageusement intégré à un calculateur FADEC, auquel le module mentionné appartiendra alors. Des applications préférées de l’invention concerneront des turbomachines dont la roue avec des pales sera non carénée, ou encore des turbomachines qui comprendront une seconde roue avec des pales ayant des interactions aérodynamiques (à l’origine du bruit d’interaction) et en rotation relative avec ladite roue avec des pales. Un autre aspect de l’invention est un procédé de réglage de calage de pales à calage variable d’une turbomachine d’aéronef, les pales étant montées sur un moyeu par des axes pivotant autour de directions rayonnant autour du moyeu ; caractérisé en ce qu’il comprend des mesures de pression d’une atmosphère adjacente aux pales ; des estimations par un calculateur de corrections du calage des pales qui atténuent un bruit acoustique produit émis par les pales ; et des commandes d’actionneurs de pivotement des pales pour appliquer lesdites corrections. Dans certains modes de réalisation principaux, la turbomachine comprend deux roues de pales qui se succèdent dans une direction longitudinale de la turbomachine, les pales à calage variable étant présentes à au moins une desdites roues ; les roues peuvent alors correspondre à deux hélices contrarotatives ; ou bien une première des roues est tournante autour d’un axe longitudinal de la turbomachine, et une seconde des roues est fixe. L’invention sera maintenant décrite plus en détail dans ses différents aspects, caractéristiques et avantages au moyen des figures suivantes, annexées à titre purement limitatif et qui en détaillent des modes de réalisation préférés : - la illustre une turbomachine non carénée ; - la illustre le calage variable d’une telle turbomachine ; - la , les caractéristiques de l’écoulement autour des pales et les effets de modifications de leur calage ; - la , l’agencement possible des capteurs ; - la , un autre agencement, avec une liaison différente au calculateur ; - la est un schéma de pales ; - la , un schéma du calculateur ; et - la explicite le mode de pilotage de calage. La turbomachine de la comporte une peau extérieure, ou moyeu, 1 de forme à peu près ovoïde pourvue de deux roues 2 et 3 avec des pales 4 donnant directement sur l’extérieur. Cette réalisation concerne en effet une turbomachine non carénée, dépourvue de nacelle enveloppant les pales 4 ; mais l’invention serait aussi bénéfique à des turbomachines carénées. Les pales 4 sont ici à l’arrière de la turbomachine, près d’une tuyère 5, mais elles pourraient être à l’avant sans effet sur l’invention, l’invention étant aussi, par exemple, applicable à une soufflante d’entrée d’air. Les roues 2 et 3 avec des pales sont représentées sur des anneaux de rotor 6 et 7 respectifs, mais elles pourraient aussi (ou l’une d’elles seulement) appartenir au stator de la turbomachine, les pales 4 étant alors fixes. D’une façon générale, on appellera « moyeu » la pièce ou les pièces, incluant les anneaux de rotor ou stator de la turbomachine, autour desquelles les pales 4 sont distribuées, ainsi que tout le contenu de la peau extérieure 1. Ainsi qu’on l’a mentionné, l’invention sera encore applicable à des turbomachines comprenant une seule roue avec des pales 4, ou un nombre plus grand de roues. La montre que les pales 4 ont un calage variable, c’est-à-dire que les pales 4 pivotent autour d’axes radiaux R, rayonnant autour d’un axe central X longitudinal de la turbomachine le long duquel les roues 2 et 3 se succèdent. Elles sont à cet effet montées sur des axes 8 que des actionneurs respectifs 9, assujettis aux anneaux 6 et 7, font pivoter autour des axes radiaux R respectifs. Les angles de calage des différentes pales 4 peuvent être tous identiques entre eux dans chacune des roues 2 et 3, ou au contraire tous différents. Les actionneurs 9 sont commandés par un calculateur 10 et plus précisément un calculateur FADEC (figures 4 et 7 ; FADEC étant une abréviation consacrée dans l’aéronautique pour « Full Automatic Digital Engine Control » et désignant un calculateur ajustant automatiquement les paramètres de fonctionnement de la turbomachine, en particulier pendant les vols). Le calculateur 10 comprend divers modules 11, 12 et 13 de correction du calage des pales 4, sensibles à des capteurs ou d’autres informations (vitesse de rotation, nombre de Mach, température, etc.) sur le fonctionnement de la turbomachine. Ils contribuent ensemble au calage des pales 4. En exploitant chacun les informations qu’ils reçoivent, ils émettent des notifications de correction de calage à un module de commande 22 qui fait leur synthèse et agit sur les actionneurs 9. On s’intéressera ici au module 11 spécifique à l’invention. Il reçoit des mesures originaires de capteurs de pression 14, et éventuellement de capteurs acoustiques 15 et aéromécaniques 16. Les capteurs de pression 14 peuvent être placés sur les pales 4 ou à leurs alentours, par exemple entre elles, sur les anneaux 6 et 7, ou sur la peau extérieure 1, par exemple entre les roues 2 et 3. Le critère important est qu’ils puissent mesurer une pression représentative de celle qui s’exerce sur les pales 4. De façon préférée, et conformément aux représentations des figures 3 à 6, les capteurs de pression sont placés à une face d’extrados 17 des pales 4, à une hauteur (le long de l’axe radial R) comprise entre 40 % et 95 %, ou mieux encore entre 40 % et 80 % (la hauteur H étant à 0 % au rayon intérieur Ri de la pale 4, et 100 % au rayon extérieur Re, qui correspondent respectivement à la jonction avec l’axe 8 et au bord extérieur 18) ; et leur position sur la corde 19 joignant un bord d’attaque 20 à un bord de fuite 21 de la pale 4 considérée est avantageusement entre 0 % et 50 % de la longueur de la corde 19 comptés à partir du bord d’attaque 20, et de préférence autour de 10 %, par exemple entre 5 % et 20 %. La indique que les capteurs 14 peuvent transmettre leurs mesures au calculateur 10 par télémétrie ; la montre qu’ils peuvent aussi le faire par des fils passant dans les pales 4 ou sous la peau extérieure 1, qui abrite aussi ledit calculateur 10. Les capteurs acoustiques 15 qu’on peut également utiliser peuvent être placés aux mêmes endroits que les capteurs de pression 14. Les capteurs aéromécaniques 16 peuvent être placés, quant à eux, soit sur les pales 4, soit sur d’autres parties de la turbomachine ; ils peuvent consister en des jauges de contrainte ou des capteurs déjà existants, comme des capteurs de mesure de couple sur les hélices ; les efforts mesurés peuvent être internes, notamment présents au sein des pales 4, ou exercés entre des pièces différentes de la turbomachine, notamment les moyeux des roues 2 et 3, directement ou indirectement par les pales 4. Les phénomènes d’écoulement que les capteurs de pression 14 permettent d’appréhender par leurs mesures sont décrits au moyen de la . L’air arrive à une pale 4 à une vitesse d’incidence V qui fait un angle A avec la direction de la corde 19 de la pale 4. Il résulte qu’une pression P++ sur une face d’intrados 23 est plus importante qu’une pression P- - à l’extrados 17. Ces pressions P++ et P- - varient sur l’intrados 23 et l’extrados 17, la pression P- - diminuant normalement vers le bord de fuite 21. Il peut arriver que des décollements de l’écoulement se produisent à une distance suffisante du bord d’attaque 20, en faisant naître une zone turbulente 24 originaire d’émissions acoustiques importantes. La portion inférieure de la illustre que la diminution de l’angle d’incidence A à une valeur plus petite A’, à vitesse d’incidence V inchangée, a pour effet que la pression à l’intrados 23 diminue et devient P+, tandis que la pression à l’extrados 17 augmente et devient P-. La zone turbulente 24 est alors susceptible de disparaître. Cela explique pourquoi les réglages de calage des pales 4 ont un effet sur les émissions acoustiques. Cela peut être encore expliqué au moyen de la . La ligne supérieure P 0 indique la pression totale environnante, qui est supposée uniforme sur une pale 4. La ligne P 1 exprime la répartition de pression mesurée sur un profil de la pale 4, plus précisément à une hauteur H constante sur l’extrados 17, dont la valeur décroît constamment vers le bord de fuite 21. Cette ligne, dont l’évolution générale est connue, est estimée au moyen de la mesure faite par un capteur 14 éventuellement unique à proximité. La différence ΔP entre les lignes P 0 et P 1 correspond à une composante instationnaire de pression qu’on peut exprimer par un nombre de Mach local. Si ce nombre atteint un seuil, des décollements de l’écoulement sont prévisibles. La diminution de l’angle de calage à A’ élève la ligne P 1 jusqu’à P 1 ’, réduit donc la différence ΔP et le nombre de Mach local à chaque point de l’écoulement sur l’extrados 17. Un procédé analogue pourrait être appliqué en recourant à des mesures par des capteurs 14 placés sur l’intrados 23, qui mesureraient alors une pression P 2 égale à la pression environnante (encore égale à P 0 ) augmentée cette fois d’une composante instationnaire ΔP* dont le calcul permettrait encore de déterminer (indirectement) le nombre de Mach à l’extrados 17, et de déterminer la correction de calage souhaitable pour la pale 4. Des adaptations du procédé à des capteurs 14 placés encore ailleurs seraient praticables. Turbomachine d’aéronef comprenant une roue (2, 3) avec des pales (4) réparties autour d’un moyeu, les pales ayant un calage variable en étant montées sur le moyeu par des axes (8) pivotant autour de directions (R) rayonnant autour du moyeu ; des actionneurs (9) de réglage du calage des pales ; un calculateur (10) commandant les actionneurs d’après des paramètres de fonctionnement de la turbomachine ; caractérisée en ce qu’elle comprend des capteurs de pression (14) montés à des surfaces des pales et/ou des surfaces de la turbomachine adjacentes aux pales, lesdites surfaces étant exposées à des écoulements d’air extérieur autour de la turbomachine, et un module (11) du calculateur, renseigné par lesdits capteurs, estimant des corrections du calage des pales qui permettraient d’atténuer un bruit acoustique émis par les pales, et contribuant à commander les actionneurs (9) d’après lesdites corrections du calage. Turbomachine d’aéronef selon la revendication 1, caractérisée en ce que les capteurs (14) sont placés sur les pales à des hauteurs (H) comprises entre 40 % et 95 %, une hauteur de 0 % correspondant à un rayon intérieur (Ri) des pales, et une hauteur de 100 % à un rayon extérieur (Re). Turbomachine d’aéronef selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les capteurs sont placés sur les pales, à des positions de corde comprises entre 0 % et 50 %, une position de corde de 0 % correspondant à un bord d’attaque (20) des pales, et une position de 100 % correspondant à un bord de fuite (21). Turbomachine d’aéronef selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les capteurs sont placés sur les pales, à des positions de corde comprises entre 5 % et 20 %. Turbomachine d’aéronef selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les capteurs sont placés à un extrados (17) des pales. Turbomachine d’aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le module du calculateur est agencé pour soumettre les corrections du calage d’après une estimation (ΔP, ΔP*) d’apparition de décollements de l’écoulement sur les surfaces des pales. Turbomachine d’aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le module (11) est aussi renseigné par des capteurs acoustiques (15) et/ou aéromécaniques (16), mesurant respectivement le bruit acoustique et des efforts exercés soit sur les pales, soit sur d’autres parties de la turbomachine. Turbomachine d’aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le calculateur (10) est un calculateur FADEC. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la roue (2, 3) est non carénée. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu’elle comprend une seconde roue avec des pales ayant des interactions aérodynamiques et en rotation relative avec ladite roue. Procédé de réglage de calage de pales à calage variable (4) d’une turbomachine d’aéronef, les pales étant montées sur un moyeu (1) par des axes (8) pivotant autour de directions (R) rayonnant autour du moyeu ; caractérisé en ce qu’il comprend des mesures de pression d’une atmosphère adjacente aux pales ; des estimations par un calculateur (10) de corrections du calage des pales qui atténuent un bruit acoustique produit émis par les pales ; et des commandes d’actionneurs (11) de pivotement des pales pour appliquer lesdites corrections. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la turbomachine comprend deux roues (2, 3) de pales qui se succèdent dans une direction longitudinale de la turbomachine, les pales à calage variable (4) étant présentes à au moins une desdites roues. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les roues correspondent à deux hélices contrarotatives. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’une première des roues est tournante autour d’un axe longitudinal de la turbomachine, et une seconde des roues est fixe.