Modélisation du bruit de combustion dans les turbines d'hélicoptères

Modeling of combustion noise in helicopter engines

• Auteur / Autrice : Thomas Livebardon
• Direction : Thierry Poinsot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Transferts
• Date : Soutenance le 18/09/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Moreau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Poinsot, Eric Bouty, Alexis Giauque
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Bailly, Carlo Scalo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Moteurs

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Combustion

Mécanique des fluides

Acoustique

Bruit de combustion

SGE

Combustion

Fluid mechanics

Acoustics

Combustion noise

LES

Résumé

L'augmentation du trafic aérien à proximité des zones à forte densité démographique impose aux constructeurs aéronautiques de développer des appareils de plus en plus silencieux. Les systèmes propulsifs figurent parmi les principaux contributeurs du rayonnement acoustique des aéronefs. Plus particulièrement, il est admis que la chambre de combustion est responsable d'une génération acoustique large-bande et basse fréquence. Deux principaux mécanismes générateurs de bruit ont été identifié dans les moteurs d'avions dans les années 70. Le premier correspond à l'émission d'ondes acoustiques par le dégagement de chaleur instationnaire induit par la combustion turbulente au sein de la chambre, bruit qualifié de direct. Le second mécanisme est la génération acoustique dans les étages de turbine par l'accélération des fluctuations de températures et de vorticité crées par la flamme et l'écoulement turbulent dans la chambre, bruit qualifié d'indirect. Ces deux mécanismes ont été largement mis en évidence au travers de travaux académiques analytiques, expérimentaux et numériques. Par contre, l'importance du bruit de combustion sur des moteurs réels a été peu étudiée. Dans ce travail, une méthodologie de calcul basée sur des simulations aux grandes échelles de chambres de combustion couplées à une méthode analytique pour calculer le bruit de combustion dans une configuration réelle est évaluée. Cette chaîne de calcul nommée CONOCHAIN est comparée aux résultats expérimentaux analysés dans cette thèse et issus du projet TEENI (projet européen FP7) où un moteur complet TURBOMECA a été instrumenté pour identifier les sources de bruits large-bandes. Dans un premier temps, un secteur de la chambre TEENI est calculée pour deux points de fonctionnements expérimentaux. Ensuite, la chambre annulaire complète est simulée au point de fonctionnement maximal pour évaluer l'apport du champ aérodynamique complet sur la prédiction du bruit. Enfin, les niveaux de bruits direct et indirect sont calculés, à partir des fluctuations extraites des précédentes simulations en sortie de brûleur, dans les étages de turbines et comparés aux données expérimentales.

The growth of air traffic at the vicinity of areas at high population density imposes to make quieter aircrafts on aeronautical manufacturers.The engine noise is one of the major contributors to the overall sound levels. Furthermore, the combustion is known to be responsible for a broadband noise generation at low-frequency. The combustion noise can be put into two main mechanisms. The first one is the emission of sound pulses by the unsteady heat release of the combustion process and is called the direct combustion noise. The second one is the generation of acoustic waves within the turbine stages by the acceleration of the temperature inhomogeneities and vorticity waves induced by the combustion and the turbulent flow within the combustor. This noise is the indirect combustion noise. These mechanisms were fully investigated in academic cases using experimental, analytical and numerical approaches contrary to the combustion noise within real engines. In this work, a hybrid approach called CONOCHAIN and based on LES of combustion chamber and an analytical disk theory to compute the combustion noise in a real turboshaft engine is evaluated. The predicted noise levels are compared with the experimental results obtained from a TURBOMECA engine in the framework of TEENI project (European project FP7) and analysed in this work where a turboshaft engine was instrumented to locate and identify the broadband noise sources. Two LES of a single sector of the TEENI combustion chamber representative of two experimental operating points are performed as well as a LES of the full-scale combustor at high power. The unsteady fields provided by the LES are used to compute direct and indirect combustion noise within the turbine stages in both cases and compared with the experimental results.