Vers une modélisation d'aide à la conception acoustique d'étages de compresseurs subsoniques de turbomachines

par Johanna Ingenito

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Michel Roger.

Le président du jury était Yves Gervais.

Le jury était composé de Mabrouk Ben Tahar, Xavier Carbonneau, Grégoire Hanss.

Les rapporteurs étaient Anne-Sophie Bonnet-Bendhia, Yves Aurégan.


  • Résumé

    Les architectures actuelles des systèmes de conditionnement d’air utilisés en aéronautique évoluent. Ainsi le compresseur centrifuge d’un pack de conditionnement moderne devient une source de bruit prépondérante au sol lors des opérations de maintenance. Ce travail de thèse vise à la mise en place d’un outil d’aide à la conception acoustique des compresseurs centrifuges subsoniques. La source de bruit dominante est attribuée à l’impact des sillages du rotor sur les aubes du diffuseur. Les ondes acoustiques alors créées peuvent se propager dans les canaux inter-aubes du rotor en remontant l’écoulement jusqu’à l’entrée d’air pour rayonner à l’extérieur. Cette hypothèse est confirmée par un essai de détection modale réalisé à l’aide d’une virole tournante instrumentée. En particulier, pour des vitesses de rotation proches du point de dimensionnement aérodynamique du compresseur, les modes créés par la source de bruit rotor/stator sont clairement présents lors des mesures réalisées et l’hypothèse de départ est validée. L’approche analytique suivie ici revient à décomposer le trajet des ondes sonores en plusieurs étapes. Les modes engendrés par l’interaction se propagent d’abord dans les canaux inter-aubes. Cet aspect est traité par une approche de modes de conduit coudé lentement variable à section rectangulaire. Une comparaison avec un logiciel commercial montre l’importance des couplages inter-modaux, qui ne sont pas pris en compte pour l’instant dans le modèle développé. Les ondes acoustiques se recomposent ensuite dans l’entrée d’air. Un modèle de raccordement modal entre les canaux inter-aubes et le conduit d’entrée d’air est développé en deux puis en trois dimensions selon deux techniques équivalentes qui ont été validées par un bilan de puissance. Cette méthode donne la possibilité de prendre en compte un écoulement débitant ou un écoulement tangentiel. La combinaison des deux écoulements nécessite des développements supplémentaires, qui feront l’objet d’une étude ultérieure. L’objectif étant de déterminer une fonction de transfert propre d’un compresseur, l’étape suivante est la mise en place d’un modèle de propagation en conduit d’entrée d’air droit à extrémité libre, à partir de la technique de Wiener-Hopf. Les trois modèles mis au point apportent des éclairages sur les mécanismes de propagation. Leur chaînage pour aboutir à un outil prédictif intégré est en cours de développement.


  • Résumé

    Noise reduction is an important issue for fan manufacturers,who need developing new prediction methods dedicated to low-noise design. The present work focuses on upstream noise propagation through the impeller of a centrifugal compressor. The main assumption is that the noise source arise from the impingement of the impeller wakes on the diffuser vanes. This mechanism forces in the inter-blade channels particular propagation modes that can be detected in the inlet duct. An experimental modal detection, limited to an azimuthal investigation, has been first carried out at inlet to validate the main assumption in the analytical approach. It has confirmed that the wake-interaction noise dominates the tonal noise of the compressor inlet duct is split into successive steps, each of which is adressed using a different analytical model.The propagation inside the curved channels between adjacent blades is solved by the multiple-scale approximation for bent slowly-varying ducts adapted to channels of rectangular cross-section. Analytical results have been compared with exact solutions obtained with a commercial software. The discrepancies are attributed to a significant modal coupling inside the channels, ignored in the analytical approach.The sound transmission from the channels towards the inlet duct has been solved as a problem of bifurcated waveguides by a mode-matching technique. This technique allows calculating the reflected and transmitted sound waves from imposed incident channel modes. To solve the mode-watching equations, a direct matrix inversion and a reformulation by residue identification have been investigated for a pure axial flow or a tangential one. When combining both flows, one issue concerning the relevant field variables to use at interfaces remains open and needs further investigation.In this study, in order to compare different centrifugal compressor designs and therefore only focus on their respective transfer functions, the chosen inlet geometry is a straight duct. The far-field radiation at the inlet termination is modelled by the Winer-Hopf technique.All aforementioned analytical models are considered bricks of a future integrated prediction strategy, still in progress.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (xxiv-157 p.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'au 01 septembre 2015
  • Annexes : Bibliogr. p. [155]-157

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T2200
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