Membrane avec actionneurs pour bord d'attaque d'aubeDiaphragm with actuators for blade leading edge
DOMAINE TECHNIQUE GENERALGENERAL TECHNICAL AREA
L'invention concerne le domaine de la gestion aéro-acoustique d'aube fixe dans une turbomachine pour aéronef ou dans un banc d'essai de turbomachine pour aéronef.The invention relates to the field of aero-acoustic management of a fixed blade in a turbomachine for an aircraft or in a turbomachine test bench for an aircraft.
Ce type d'aube fixe se retrouve par exemple sur des OGV (outlet guide vane), ou redresseurs, disposés en aval d'un corps tournant pour redresser le flux d'air. On parlera d'aube de stator pour désigner une aube fixe, à l'inverse des aubes en rotation.This type of fixed vane is found for example on OGV (outlet guide vane), or rectifiers, arranged downstream of a rotating body to straighten the air flow. We will speak of stator blade to designate a fixed blade, unlike rotating blades.
Un exemple sera donné pour une turbomachine double flux avec une soufflante et un redresseur disposé en veine secondaire.An example will be given for a double flow turbomachine with a blower and a rectifier arranged in a secondary stream.
L'interaction entre l'écoulement mis en rotation par la soufflante et le redresseur dans la veine secondaire est à l'origine d'une source de bruit prédominante sur le bruit total généré par le moteur, voire par l'avion selon les régimes de fonctionnements.The interaction between the flow set in rotation by the blower and the rectifier in the secondary vein is the source of a predominant source of noise over the total noise generated by the engine, or even by the aircraft according to the speeds of operations.
ETAT DE L'ARTSTATE OF THE ART
Plusieurs approches sont envisagées pour maîtriser et/ou réduire le bruit d'origine aérodynamique, soit par modification du champ aérodynamique incident (l'excitation aérodynamique), soit par modification de la géométrie des stators (la réponse aéro-acoustique).Several approaches are envisaged to control and / or reduce the noise of aerodynamic origin, either by modification of the incident aerodynamic field (aerodynamic excitation), or by modification of the geometry of the stators (the aero-acoustic response).
Dans le deuxième cas, il a été proposé une modification de la géométrie du bord d'attaque des aubes du stator sous forme de bord d'attaques ondulés communément appelés « wavy leading edge », « serrated leading edge » ou « leading edge serrations ».In the second case, it has been proposed to modify the geometry of the leading edge of the stator vanes in the form of a wavy leading edge commonly called "wavy leading edge", "serrated leading edge" or "leading edge serrations" .
Le principe de réduction des émissions de bruit générées par la grille OGV réside sur le fait de déphaser spatialement les sources de bruit distribuées le long du bord d'attaque par le biais d'ondulation, identiques ou non. Pour que le principe s'applique, la taille (profondeur, largeur, épaisseur) des ondulations doit être adaptée au contenu du champ aérodynamique incident (épaisseur et déficit des sillages moyens, taille des tourbillons pour la turbulence) qui varie en fonction du régime moteur.The principle of reducing noise emissions generated by the OGV grid resides in the fact of spatially phase shifting the noise sources distributed along the leading edge by means of ripple, identical or not. For the principle to apply, the size (depth, width, thickness) of the undulations must be adapted to the content of the incident aerodynamic field (thickness and deficit of the average wakes, size of the vortices for turbulence) which varies according to the engine speed .
Comme présenté dans les références listées ci-dessous, la fonction des variations géométriques selon la corde est donnée par l'équation suivante :As presented in the references listed below, the function of the geometric variations according to the chord is given by the following equation:
c(r) = c0 + h. sm(2nr/P)c (r) = c0 + h. sm (2nr / P)
Où co est la corde de référence, h l'amplitude et À la longueur d'onde des ondulations et r le rayon.Where co is the reference chord, h the amplitude and the wavelength of the ripples and r the radius.
L'angle θ exprimé ci-dessous est un paramètre clé dans la réduction du bruit. Sa valeur est déterminée par la formule suivante, illustrée en figure 1 :The angle θ expressed below is a key parameter in noise reduction. Its value is determined by the following formula, illustrated in Figure 1:
Θ = atan(4h/A)Θ = atan (4h / A)
La valeur de À est choisie à partir de la longueur d'onde de la turbulence du fluide arrivant au bord d'attaque de l'aube.The value of λ is chosen from the wavelength of the turbulence of the fluid arriving at the leading edge of the blade.
La figure 2 illustre le résultat de l'application de ces formules sur des aubes 100, où l'on observe les dents 112 et les creux 114 du bord d'attaque 108 et les ondulations périodiques.FIG. 2 illustrates the result of the application of these formulas on blades 100, where the teeth 112 and the hollows 114 of the leading edge 108 and the periodic undulations are observed.
Toutefois, la présence des dents 112 au bord d'attaque 108 réduit fortement le bilan mécanique des OGV, avec de fortes concentrations de contraintes dans les creux de dent.However, the presence of the teeth 112 at the leading edge 108 greatly reduces the mechanical balance of the LMOs, with high concentrations of stresses in the tooth hollows.
En effet sous effort aérodynamique la pale fléchit tangentiellement, ce qui induit un effet de cisaillement transverse d'une dent à l'autre. Ainsi plus les dents sont longues, plus le rayon des creux de dent est faible, et plus la contrainte dans les creux de dents sera élevée.Indeed under aerodynamic force the blade flexes tangentially, which induces a transverse shearing effect from one tooth to another. Thus the longer the teeth, the smaller the radius of the tooth recesses, and the greater the stress in the tooth recesses.
Or, ce constat est inverse au gain acoustique escompté puisque ce dernier est maximisé pour des dents fines et longues.However, this observation is opposite to the expected acoustic gain since the latter is maximized for fine and long teeth.
Il existe donc un besoin de solutions permettant de maximiser les avantages de cette solution tout en minimisant les inconvénients.There is therefore a need for solutions making it possible to maximize the advantages of this solution while minimizing the disadvantages.
En outre il existe donc un besoin de solutions permettant d'optimiser les avantages issus des différents profils en serration.In addition, there is therefore a need for solutions making it possible to optimize the advantages resulting from the different tightening profiles.
PRESENTATION DE L'INVENTIONPRESENTATION OF THE INVENTION
Pour cela, l'invention propose un Ensemble pour redresseur, comprenant :For this, the invention provides an assembly for rectifier, comprising:
- une aube de stator,- a stator blade,
- une membrane définissant un bord d'attaque de l'aube,- a membrane defining a leading edge of the blade,
- une pluralité d'actionneurs disposés entre l'aube et la membrane pour modifier la forme du bord d'attaque.- A plurality of actuators arranged between the blade and the membrane to modify the shape of the leading edge.
L'invention peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :The invention may include the following characteristics, taken alone or in combination:
- la membrane fait le tour de l'aube,- the membrane goes around dawn,
- les actionneurs comportent des aiguilles, disposées alignées sur une longueur d'une portion amont de l'aube,the actuators comprise needles, arranged aligned along a length of an upstream portion of the blade,
- les actionneurs comportent des buses d'air, disposées alignées sur une longueur d'une portion amont de l'aube,the actuators comprise air nozzles, arranged aligned along a length of an upstream portion of the blade,
- les actionneurs sont de type piézoélectriques, disposés alignés sur une longueur d'une portion amont de l'aube,the actuators are of the piezoelectric type, arranged aligned along a length of an upstream portion of the blade,
- l'ensemble comprend en outre une unité de commande, ladite unité de commande étant configurée pour que les actionneurs créent un profil en serration, de préférence obéissant à une loi périodique, par exemple de type sinusoïdale.- The assembly further comprises a control unit, said control unit being configured so that the actuators create a tight profile, preferably obeying a periodic law, for example of the sinusoidal type.
- l'aube comprend un pied configuré pour être attaché à un moyeu interne et une tête configurée pour être attachée à un carter externe, dans lequel du câblage transite du côté de la tête de l'aube, à destination des actionneurs,- the blade comprises a foot configured to be attached to an internal hub and a head configured to be attached to an external casing, in which wiring passes on the side of the blade head, intended for the actuators,
- l'aube est en matériau composite.- the blade is made of composite material.
L'invention concerne aussi une couronne de redresseur comprenant une pluralité d'ensemble tels que décrits précédemment, les aubes étant réparties circonférentiellement autour d'un moyeu.The invention also relates to a rectifier ring comprising a plurality of assemblies as described above, the blades being distributed circumferentially around a hub.
L'invention concerne aussi une turbomachine ou banc d'essai comprenant un ensemble ou un couronne telle que décrit précédemment.The invention also relates to a turbomachine or test bench comprising an assembly or a crown as described above.
Il s'agit d'une turbomachine ou un banc d'essai par exemple de type turbomachine partielle, cet ensemble étant par exemple un redresseur monoflux de la turbomachine partielle en constituant une veine qui correspondrait à une veine secondaire en considérant le cas d'une turbomachine complète.It is a turbomachine or a test bench, for example of the partial turbomachine type, this assembly being for example a single-flow rectifier of the partial turbomachine by constituting a stream which would correspond to a secondary stream considering the case of a complete turbomachine.
PRESENTATION DES FIGURESPRESENTATION OF THE FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :Other characteristics, objects and advantages of the invention will emerge from the description which follows, which is purely illustrative and not limiting, and which should be read with reference to the appended drawings, in which:
- La figure 1 représente un schéma illustrant les grandeurs définissant un profil en serration,FIG. 1 represents a diagram illustrating the quantities defining a tightening profile,
- La figure 2 illustre une aube de stator avec un profil en serration,- Figure 2 illustrates a stator blade with a tight profile,
- La figure 3 illustre le contexte de montage d'une aube de stator représentée ici avec un profil droit,FIG. 3 illustrates the context of mounting a stator blade represented here with a straight profile,
- Les figures 4 et 5 illustrent un mode de réalisation de l'invention,- Figures 4 and 5 illustrate an embodiment of the invention,
- La figures 6 et 7 illustrent deux modes de réalisation de l'invention.- Figures 6 and 7 illustrate two embodiments of the invention.
DESCRIPTION DETAILLEEDETAILED DESCRIPTION
On se place dans le cadre d'une portion de turbomachine, typiquement une veine qui pourrait être équivalente à une veine secondaire d'une turbomachine double flux avec redresseur (OGV) disposé en sortie de soufflante. Il peut donc s'agir d'un cadre de banc d'essai, par exemple pour des redresseurs monoflux ou tout type de banc d'essai dans lequel une aube fixe est utilisée. Un tel banc d'essai est par exemple un moteur partiel permettant par exemple de valider des données sur des phénomènes représentatifs de ceux intervenant habituellement dans la veine secondaire d'un moteur complet.We place ourselves within the framework of a portion of a turbomachine, typically a stream which could be equivalent to a secondary stream of a turbofan with double flow with rectifier (OGV) arranged at the outlet of the fan. It can therefore be a test bench frame, for example for single-flow rectifiers or any type of test bench in which a fixed vane is used. Such a test bench is for example a partial engine making it possible for example to validate data on phenomena representative of those usually occurring in the secondary stream of a complete engine.
La figure 3 illustre le contexte de montage d'une aube 100 comprenant un pied d'aube 110 à une extrémité, qui est typiquement une extrémité radialement interne de l'aube 100. Le pied d'aube 110 s'attache à un moyeu 200, de révolution autour d'un axe longitudinal, qui correspond à un axe de rotation principale de la portion de turbomachine. Le moyeu 200 fait généralement partie du corps primaire d'une turbomachine double flux. L'aube 100 s'étend dans une direction radiale Y par rapport au moyeu 200 (chaque aube possède donc sa direction radiale Y propre).FIG. 3 illustrates the context of mounting a blade 100 comprising a blade root 110 at one end, which is typically a radially internal end of the blade 100. The blade root 110 attaches to a hub 200 , of revolution about a longitudinal axis, which corresponds to a main axis of rotation of the turbomachine portion. The hub 200 is generally part of the primary body of a double-flow turbomachine. The blade 100 extends in a radial direction Y relative to the hub 200 (each blade therefore has its own radial direction Y).
A une autre extrémité, radialement externe, l'aube 100 est attachée à un carter 250 par une tête d'aube 125.At another end, radially external, the blade 100 is attached to a casing 250 by a blade head 125.
L'aube 100 a une forme profilée pour redresser le flux, avec notamment un intrados et un extrados. Le pied 110 d'aube 100 peut avoir une forme dans le prolongement de l'intrados et de l'extrados.The blade 100 has a profiled shape to straighten the flow, with in particular a lower surface and an upper surface. The foot 110 of the blade 100 may have a shape in the extension of the lower surface and the upper surface.
L'aube 100 comprend un bord d'attaque propre 120, qui est généralement droit ou sensiblement droit.The blade 100 includes a clean leading edge 120, which is generally straight or substantially straight.
On définit ainsi une portion amont 130 de l'aube 100, qui comprend notamment le bord d'attaque 120, et une portion aval 140, qui comprend notamment le bord de fuite 145 d'aube.This defines an upstream portion 130 of the blade 100, which in particular comprises the leading edge 120, and a downstream portion 140, which in particular comprises the trailing edge 145 of the blade.
L'aube 100 peut être en métal ou en matériau composite (matrice de résine avec renforts, typiquement en carbone).The blade 100 can be made of metal or a composite material (resin matrix with reinforcements, typically carbon).
Afin de pouvoir implémenter un profil en serration en s'affranchissant des contraintes structurelles, une membrane souple 300 est disposé sur l'aube 100, plus précisément sur la portion amont 130 (figure 4), de façon à recouvrir le bord d'attaque propre 120 de l'aube 100. Cette membrane souple 300 comprend un bord d'attaque 310 présentant un profil variable grâce à des actionneurs 400 positionnés entre l'aube 100 et la membrane 300, sur la portion amont 130. Préférablement, les actionneurs 400 sont positionnés sur le bord d'attaque propre 120 de l'aube 100.In order to be able to implement a tight profile by overcoming structural constraints, a flexible membrane 300 is placed on the blade 100, more precisely on the upstream portion 130 (FIG. 4), so as to cover the clean leading edge. 120 of the blade 100. This flexible membrane 300 comprises a leading edge 310 having a variable profile thanks to actuators 400 positioned between the blade 100 and the membrane 300, on the upstream portion 130. Preferably, the actuators 400 are positioned on the clean leading edge 120 of the blade 100.
La membrane 300 est rapportée sur l'aube 100, de sorte que le bord d'attaque 310 de la membrane 300 devienne le nouveau bord d'attaque de l'aube 100.The membrane 300 is attached to the blade 100, so that the leading edge 310 of the membrane 300 becomes the new leading edge of the blade 100.
Avec un tel ensemble, les efforts sont transmis uniquement par l'aube 100 et ne transitent pas par la membrane 300 et le profil en serration avec dent 302 et creux 304 dont on connaît les faiblesses. La membrane 300 a ainsi un rôle uniquement aérodynamique et ne reprend pas d'efforts.With such an assembly, the forces are transmitted only by the blade 100 and do not pass through the membrane 300 and the tightening profile with tooth 302 and hollow 304, the weaknesses of which are known. The membrane 300 thus has an aerodynamic role only and does not take up any efforts.
Cela permet en outre d'éviter une nouvelle conception structurale des aubes et de modifier facilement les aubes déjà existantes.This also makes it possible to avoid a new structural design of the blades and to easily modify the already existing blades.
En effet, il est connu que les efforts sont nettement mieux repartis dans les aubes 100 à bord d'attaque droit, comme illustrée en figure 3, qui permettent notamment de concevoir des aubes structurales. En utilisant une aube 100 à bord d'attaque droit, une membrane 300 et des actionneurs 400, les problèmes de sur-contrainte entre les creux 304 n'existent donc plus.Indeed, it is known that the forces are much better distributed in the blades 100 with a straight leading edge, as illustrated in FIG. 3, which in particular make it possible to design structural blades. By using a blade 100 with a straight leading edge, a membrane 300 and actuators 400, the problems of over-stress between the hollows 304 therefore no longer exist.
Il est en outre possible de modifier le bord d'attaque 310 en fonction des conditions de vol. Il est aussi possible, en phase de test ou sur banc d'essai, de tester différentes solutions.It is also possible to modify the leading edge 310 according to the flight conditions. It is also possible, during the test phase or on a test bench, to test different solutions.
Dans un mode de réalisation, la membrane 300 fait le tour de l'aube 100, c'est-à-dire qu'elle recouvre l'intrados 101, le bord d'attaque propre 120, l'extrados 103 et le bord de fuite 145.In one embodiment, the membrane 300 goes around the blade 100, that is to say that it covers the lower surface 101, the clean leading edge 120, the upper surface 103 and the edge of leak 145.
Les actionneurs 400 peuvent être de différents types.The actuators 400 can be of different types.
Dans un mode de réalisation, une pluralité d'actionneurs 400 à aiguille est positionnée sur une portion amont de l'aube 100. Chaque aiguille, dont l'extrémité est en contact avec la membrane 300, peut se déplacer en translation en s'éloignant ou en se rapprochant de l'aube 100, de façon à écarter ou rapprocher la membrane 300 de l'aube 100. Sur les figures 4 et 5, les actionneurs 400 génèrent un profil en serration, sinusoïdal, pour lequel un actionneur 400 sur deux génère le creux 304 et l'autre actionneur sur deux génère la dent 302.In one embodiment, a plurality of needle actuators 400 is positioned on an upstream portion of the blade 100. Each needle, the end of which is in contact with the membrane 300, can move in translation away from it or by approaching the blade 100, so as to move aside or move the membrane 300 closer to the blade 100. In FIGS. 4 and 5, the actuators 400 generate a tight, sinusoidal profile, for which one actuator 400 in two generates the hollow 304 and the other actuator out of two generates the tooth 302.
Ces actionneurs 400 peuvent être hydrauliques, pneumatiques ou électriques.These actuators 400 can be hydraulic, pneumatic or electric.
Dans un autre mode de réalisation, une pluralité d'actionneurs 400 piézoélectriques est positionnée sur une longueur de la portion amont 130 de l'aube 100. Il est prévu au moins deux actionneurs par dents. Suivant la raideur du matériau souple utilisé, plus ou moins d'actionneurs seront nécessaires pour décrire une sinusoïde.In another embodiment, a plurality of piezoelectric actuators 400 is positioned over a length of the upstream portion 130 of the blade 100. There are at least two actuators per tooth. Depending on the stiffness of the flexible material used, more or less actuators will be necessary to describe a sinusoid.
Dans un autre mode de réalisation, une pluralité d'actionneurs 400 à air pulsé est positionnée sur une portion amont de l'aube 100. Des petites buses soufflent plus ou moins fort un jet d'air en saillie du bord d'attaque 120 de l'aube pour créer les dents 302 et des retours d'air débouchant audit bord d'attaque sont présents au niveau des creux 304 souhaités. Les technologies de fabrication des aubes à buses peuvent s'apparenter à celles connues pour la réalisation de peignes de mesure. Ces derniers comportent des canalisations internes aménageant des buses de passage d'instrumentation de type à câble et capteur.In another embodiment, a plurality of forced air actuators 400 is positioned on an upstream portion of the blade 100. Small nozzles blow more or less strongly a jet of air projecting from the leading edge 120 of the blade to create the teeth 302 and air returns opening out to said leading edge are present at the desired hollows 304. The technologies for manufacturing nozzle blades can be compared to those known for producing measuring combs. The latter include internal pipelines providing nozzles for the passage of instrumentation of the cable and sensor type.
Les figures 6 et 7 illustrent des voies de pilotage. On préfère des voies de pilotage qui passent par la tête d'aube 125 et le carter 250, notamment dans le cas d'aube fixée par attache poignard, c'est-à-dire que l'aube 100 est attachée seulement au carter 250 et le pied d'aube 100 vient s'enficher radialement dans une empreinte complémentaire sur le moyeu 200 (comme illustré en figure 3). Cela signifie que des câblages (électrique, hydraulique, pneumatique, etc.) transitent par la tête d'aube 125 puis le carter 250 pour desservir les actionneurs.Figures 6 and 7 illustrate piloting routes. Pilot tracks are preferred which pass through the blade head 125 and the housing 250, in particular in the case of a blade fixed by dagger attachment, that is to say that the blade 100 is attached only to the housing 250 and the blade root 100 is plugged radially into a complementary cavity on the hub 200 (as illustrated in FIG. 3). This means that cables (electrical, hydraulic, pneumatic, etc.) pass through the blade head 125 and then the casing 250 to serve the actuators.
Sur la figure 6, chaque actionneur 400 est piloté indépendamment et on dénombre autant de voies de pilotage 410 qu'il y a d'actionneurs 400. Cette configuration permet d'obtenir tous les profils de bord d'attaque 310 possible. En revanche, elle est plus encombrante et coûteuse.In FIG. 6, each actuator 400 is controlled independently and there are as many control channels 410 as there are actuators 400. This configuration makes it possible to obtain all the leading edge profiles 310 possible. On the other hand, it is more bulky and expensive.
Sur la figure 7, un actionneur 400 sur deux est relié à une voie de pilotage 412 et l'autre actionneur sur deux est relié à une autre voie de pilotage 414. Cette configuration permet d'obtenir des profils en forme de sinusoïde (en définissant les dents 302 et les creux 304) en limitant le nombre de voies de pilotage indépendante.In FIG. 7, one actuator 400 out of two is connected to a control channel 412 and the other actuator out of two is connected to another control channel 414. This configuration makes it possible to obtain profiles in the form of a sinusoid (by defining the teeth 302 and the hollows 304) by limiting the number of independent piloting channels.
D'autres configurations sont possibles (un sur trois, un sur quatre, etc.).Other configurations are possible (one in three, one in four, etc.).
Pour piloter les actionneurs 400, une unité de commande 500 est prévue. Celle-ci peut correspondre au FADEC associé à l'aéronef par exemple, ou bien à un ordinateur qui contrôle le banc d'essai. Cette unité de commande 500 peut être configurée, par exemple à l'aide de lignes de code, pour générer différents types de profil en serration, en faisant varier la position de la membrane 300.To control the actuators 400, a control unit 500 is provided. This can correspond to the FADEC associated with the aircraft for example, or else to a computer which controls the test bench. This control unit 500 can be configured, for example using lines of code, to generate different types of tightening profile, by varying the position of the membrane 300.
Dans un mode de réalisation, la membrane 300 est réalisé dans un matériau souple, donc différent de l'aube 100. Par exemple, la membrane 300 est en silicone, plastique, caoutchouc et/ou élastomère et l'aube 100 est en composite. On s'affranchit ainsi des contraintes de 5 fabrication d'aube intégrant un profil en serration (par exemple en fabrication additive, etc.).In one embodiment, the membrane 300 is made of a flexible material, therefore different from the blade 100. For example, the membrane 300 is made of silicone, plastic, rubber and / or elastomer and the blade 100 is made of composite. This eliminates the constraints of 5 blade manufacturing integrating a tightening profile (for example in additive manufacturing, etc.).
Enfin, dans le cadre d'un banc d'essai ou d'une turbomachine de test, il est possible de tester différents profils à l'aide de membranes 300 10 montées sur différentes aubes 100. Il est ainsi possible d'effectuer simplement des mesures pour différents profils par exemple.Finally, in the context of a test bench or a test turbomachine, it is possible to test different profiles using membranes 300 10 mounted on different blades 100. It is thus possible to simply perform measurements for different profiles for example.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication | Publication Date | Title |
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| Date | Code | Title | Description |
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