Effets d’un stator hétérogène sur le bruit d’interaction rotor-stator : étude analytique, expérimentale et numérique

Abstract

La présente étude vise à quantifier par une modélisation analytique, des essais et des simulations numériques, l’impact d’un stator hétérogène sur le bruit d’interaction rotor-stator dans les turbomachines axiales. Le travail développé s’appuie sur des premières observations sur un ventilateur axial à basse vitesse à l’École Centrale de Lyon, l’étage LP3. Il a été observé que les deux premières fréquences de passage des pales (FPP) rayonnaient à des niveaux élevés alors qu’elles devaient être coupées par le conduit selon le critère de Tyler & Sofrin. Une campagne expérimentale est alors réalisée sur la configuration de ventilateur hétérogène qui permet la caractérisation des contenus spectral et modal. Afin de s’assurer qu’aucune distorsion d’entrée d’air n’est présente, un écran pour le contrôle de la turbulence est utilisé. Des techniques de décomposition modale sont utilisées sur des antennes pseudo-aléatoires afin d’obtenir les modes acoustiques prédominants. Les résultats montrent un fort rayonnement acoustique des deux premières fréquences de passage des pales et mettent en évidence des modes dominants. La même expérience est ensuite simulée numériquement en utilisant la méthode de Boltzmann sur réseau. Les simulations montrent un bon comportement de la turbomachine mais prédisent une augmentation de pression inférieure à celle de l’expérience. La comparaison entre un stator homogène et hétérogène permet de quantifier directement l’impact de l’hétérogénéité. L’hétérogénéité est alors responsable d’une augmentation du niveau tonal de plus de 10 dB aux deux premières FPP. Le contenu modal mesuré sur la configuration hétérogène est bien retrouvé par les simulations numériques. En outre, l’analyse de l’écoulement dans l’espacement inter-rotor-stator a permis de mettre en évidence l’impact de l’hétérogénéité sur le champ potentiel. Finalement, la modélisation analytique est axée sur deux sources dominantes : le bruit d’interaction de sillages et le bruit d’interaction potentielle. Les résultats montrent une contribution mineure de ce dernier. Les mêmes modes dominants sont retrouvés dans certaines directions de propagation en accord avec ce qui est observé expérimentalement. En dernier lieu, une étude d’optimisation de la position des bras support est présentée. Une des configurations optimales montrant une forte atténuation du niveau de bruit tonal est validée numériquement par des simulations numériques. Les résultats montrent que l’optimisation du positionnement angulaire des aubes structurelles permet d’obtenir une réduction significative des niveaux aux deux premières FPP. L’étude des différentes composantes (analytique, expérimentale et numérique) fournit ainsi une meilleure compréhension des mécanismes de bruit modifiés par l’hétérogénéité du stator.

Abstract: The present study aims to quantify by means of analytical modelling, experiments and numerical simulations, the impact of a heterogeneous stator on the rotor-stator noise in axial turbomachines. This study starts with the first observations on an axial low-speed fan at École Centrale de Lyon, the LP3 stage. It has been observed that the first two blade passing frequencies (BPF) were radiating at high levels while they were expected to be cut-off by the duct according to Tyler & Sofrin’s criterion. An experiment is then carried out with the heterogeneous stator configuration which makes it possible to characterize the spectral and modal contents. To ensure that no inflow distortion is present at the inlet, a Turbulence Control Screen is used. Modal decomposition techniques are used with pseudo-random antennas to obtain the predominant acoustic modes. Results show a strong acoustic radiation of the first two BPFs and evidence some dominant modes. The same experiment is then simulated numerically using the lattice Boltzmann method. The simulations show a good physical behaviour of the turbomachine but predict a lower pressure-rise compared with the experiment. The comparison between homogeneous and heterogeneous stators allows quantifying directly the impact of the heterogeneity. The heterogeneity is responsible for a level increase of more than 10 dB at the first two BPFs. The modal content from the numerical simulations on the heterogeneous configuration is also in good agreement with the experiment. In addition, the analysis of the flow in the inter-stage made it possible to highlight the impact of the heterogeneity on the potential field. Finally, the analytical modelling is focused on two dominant sources: wake-interaction noise and potential-interaction noise. Results put in evidence a minor contribution of the latter despite the short rotor-stator spacing. The same dominant modes are found in certain propagation directions in accordance with what is measured in the experiment. Finally, an optimisation of the modified vanes angular position is carried out. One of the optimal configurations showing a great noise attenuation is numerically validated by the LBM. The numerical results show that the optimisation of the azimuthal positioning of the modified vanes makes it possible to obtain a significant reduction of the levels at the first two BPFs. Thereby, the comparison of the analytical, experimental and numerical investigations allows achieving a better understanding of the modification of noise mechanisms caused by the heterogeneity of the stator.