FR3040439A1 - Turboreacteur double flux dote d'une paroi de confluence - Google Patents

Abstract

Un turboréacteur (1) à double flux comprenant un compresseur basse pression (3) apte à prélever un flux d'air destiné à être divisé en un flux d'air primaire (F1) et un flux d'air secondaire (F2) distincts, un canal primaire (10) apte à acheminer le flux d'air primaire (F1) depuis le compresseur basse pression (3) jusqu'à une zone de confluence (12) des flux d'air primaire et secondaire (F1 et F2) permettant la dilution du flux d'air secondaire (F2) dans le flux d'air primaire (Fi), un canal secondaire (11) apte à acheminer le flux d'air secondaire depuis le compresseur basse pression (3) jusqu'à la zone de confluence (12). Le turboréacteur (1) comprend une paroi annulaire de confluence (13) percée d'une pluralité d'orifices traversant (14).

Description

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne les turboréacteurs double flux notamment pour les aéronefs, et plus particulièrement la dilution de l'air primaire avec l'air secondaire dans une confluence.

Dans les turboréacteurs double flux dit de type « turbojet » en anglais, on divise le flux d'air aspiré par le compresseur basse pression en deux parties. Une première partie, le flux primaire ou flux chaud, traverse un générateur de gaz comportant un compresseur haute-pression, une chambre de combustion et une turbine haute pression, puis une turbine basse pression. Une seconde partie, le flux secondaire ou flux froid, s'écoule à la périphérie du turboréacteur et est utilisé notamment pour le refroidissement de certains organes. Le flux secondaire, formé de l'air précomprimé par le compresseur basse pression qui ne traverse pas le générateur de gaz, s'écoule autour du générateur de gaz jusqu'à une zone de confluence dans laquelle le flux primaire et le flux secondaire sont mélangés après combustion de l'air du flux primaire.

La proportion d’air constituant le flux froid qui est variable selon les moteurs est exprimée par le rapport entre le débit massique du flux secondaire et le débit massique du flux primaire. Ce rapport est appelé taux de dilution, ou « By-Pass Ratio » en anglais et noté BPR.

Les moteurs militaires optimisés pour le vol supersonique ont généralement des taux de dilution inférieurs à 1, alors que les moteurs civils ou militaires optimisés pour des croisières autour de Mach 0,8 ont généralement des taux de dilution entre 5 et 10. Les moteurs à double flux et fort taux de dilution, en anglais les « turbofans », tirent l'essentiel de leur poussée du flux froid, le flux chaud représentant 20 % de la poussée, et se rapprochent des turbopropulseurs.

Dans un turboréacteur doté d'une soufflante non carénée, ou Open rotor en anglais, qui est un turboréacteur dont la soufflante est fixée directement sur la turbine de puissance et en dehors de la nacelle, la turbine peut également comprendre une veine primaire délivrant un flux primaire chaud ainsi qu'une veine secondaire acheminant un flux secondaire froid pour le refroidissement de certains organes autour du générateur de gaz. Le flux primaire et le flux secondaire sont destinés à être mélangés entre la sortie de la veine primaire et l'entrée d'une turbine de puissance montée en aval du générateur de gaz. Quel que soit le type de turboréacteur comportant un double flux à l'un des étages, la zone de confluence est généralement située à la jonction des sorties du canal primaire et du canal secondaire, avant la sortie des gaz de la nacelle, aussi bien juste avant la sortie de la nacelle qu'en amont d'une turbine, par exemple une turbine de puissance, montée en amont de la sortie des gaz de la nacelle. D'un point de vue aérodynamique, dans un turboréacteur doté d'une soufflante non carénée, la confluence a pour but de mélanger les flux primaire et secondaire afin de fournir un écoulement acceptable à la turbine de puissance.

Dans un turboréacteur à soufflante non carénée, il y a peu d'intérêt à alimenter la turbine de puissance avec un flux basse pression important. C'est pourquoi une architecture de type « turbojet » est utilisée en amont de la turbine de puissance, plutôt qu'une architecture de type « turbofan ». L'agencement et les dimensions de la veine secondaire et de la veine primaire sont donc telles que les dimensions de la veine secondaire sont plus réduites que dans des turboréacteurs à double flux classiques de type turbofan

En outre, dans un turboréacteur à soufflante non carénée, le taux de dilution désiré dans la zone de confluence est très faible pour les points de dimensionnement du cycle thermodynamique d'une soufflante non carénée. En effet, en sortie du générateur de gaz d'une soufflante non carénée, on fonctionne généralement à des taux de dilution très bas, de l'ordre de 0,23 à 0,25.

Or, dans tous les turboréacteurs à double flux, le taux de dilution est fixé par les performances voulues pour le moteur. Il dépend du cycle choisi et varie selon l'altitude, le nombre de Mach et le régime moteur. Le bon dimensionnement de la confluence est donc important dans les turboréacteurs à double flux car la confluence permet de régler les débits secondaires et primaires et donc le taux de dilution.

Dans des turboréacteurs comportant de faibles dimensions pour le canal secondaire, ou veine secondaire, et un faible taux de dilution, comme par exemple en sortie du générateur de gaz réalisé sous la forme d'un « turbojet » de turboréacteurs à soufflante non carénée, il est très délicat de mettre en place une confluence calibrée précisément, robuste aux tolérances de fabrication et présentant une bonne tenue aux différentes conditions thermomécaniques que cette zone peut subir lorsque le turboréacteur fonctionne.

La section géométrique de la confluence est difficile à maîtriser. Premièrement, du fait des tolérances de fabrication du carter de la veine primaire, aussi appelée tôle de confluence, et du carter englobant la tôle de confluence et formant avec cette dernière la veine secondaire. Deuxièmement, du fait de la dilatation thermique différentielle entre le flux primaire très chaud et le flux secondaire plus froid. Et, troisièmement, du fait des déplacements au niveau du bord de fuite de la confluence qui suit les déplacements en fonctionnement de tout le corps haute pression alors que le carter suit ceux de la structure basse pression.

Objet et résumé de l'invention L'invention vise à proposer un turboréacteur à double flux dont le mélange des flux primaire et secondaire s'opère avant la sortie de la nacelle et présentant une confluence robuste aux tolérances de fabrication et permettant de calibrer précisément le taux de dilution notamment pour des taux de dilution faibles et des petites dimensions de veine secondaire. L'invention a pour objet un turboréacteur à double flux comprenant un compresseur basse pression apte à prélever un flux d'air destiné à être divisé en un flux d'air primaire et un flux d'air secondaire distincts, un canal primaire apte à acheminer le flux d'air primaire depuis le compresseur basse pression jusqu'à une zone de confluence des flux d'air primaire et secondaire permettant la dilution du flux d'air secondaire dans le premier flux d'air primaire en sortie du canal primaire, et un canal secondaire apte à acheminer le flux d'air secondaire depuis le compresseur basse pression jusqu'à la zone de confluence en sortie du canal secondaire.

Selon une caractéristique générale de l'invention, le turboréacteur comprend une paroi annulaire de confluence percée d'une pluralité d'orifices traversants.

La paroi annulaire de confluence est disposée, comme cela est indiqué, dans la zone de confluence, et plus particulièrement en entrée de la zone de confluence de manière à contrôler dès l'entrée dans la zone de confluence le débit du flux secondaire injecté dans le flux primaire et ainsi maîtriser le taux de dilution du mélange.

Les orifices traversant prévus dans la paroi de confluence sont configurés pour laisser s'échapper une portion d'air du flux secondaire délivré par le canal secondaire au travers de la paroi de confluence jusque dans la zone de confluence. Les orifices permettent de mieux maîtriser le débit du flux secondaire délivré par le canal secondaire, et par conséquent le taux de dilution du générateur de gaz, quelles que soient les conditions thermiques du milieu. Les orifices traversant présentent un diamètre de l'ordre de quelques millimètres à quelques dizaines de millimètres, le diamètre variant en fonction de la turbomachine et du nombre d'orifices

La dilatation thermique et mécanique des orifices traversant prévus dans la paroi est moins importante que la dilatation subie par le canal primaire ou un dispositif de confluence s'étendant entre le canal primaire et le canal secondaire, comme par exemple un bec de confluence qui est utilisé dans l'état de l'art. En effet, les températures du carter externe et du carter interne sont nettement différentes de par la différence entre les températures des flux primaire et secondaire. De ce fait le différentiel de dilatation entre le canal primaire et le canal secondaire peut être important, entraînant par conséquent une variation importante de l'embouchure du canal secondaire, c'est-à-dire du bec de confluence, et donc du taux de dilution résultant.

Selon un premier aspect du turboréacteur, l'extrémité du canal secondaire débouchant sur la zone de confluence est au moins partiellement fermée par ladite paroi de confluence. L'obturation du canal secondaire par la paroi de confluence s'étendant entre une virole interne délimitant le canal primaire et une virole externe délimitant avec la virole interne le canal secondaire permet de limiter les fuites et de maîtriser le débit du flux secondaire grâce notamment à la taille et au nombre des orifices traversant prévus dans la paroi de confluence. L'obturation du canal secondaire par la paroi de confluence permet de disposer la paroi de confluence exactement à l'interface entre la sortie du canal secondaire et l'entrée de la zone de confluence, et ainsi d'optimiser le contrôle du taux de dilution.

Selon un deuxième aspect du turboréacteur, les orifices de la paroi de confluence sont distribués sur au moins deux cercles de même axe de rotation et de rayons différents. L'axe de rotation des cercles correspond de préférence, dans le cas d'une soufflante non carénée ou d'un turbopropulseur, à l'axe de rotation de la turbine de puissance et donc à l'axe de révolution de la virole interne formant le canal primaire et à l'axe de révolution de la virole externe formant avec la virole interne le canal secondaire.

La répartition des orifices traversant sur une pluralité de cercles différents offre une première possibilité d'optimisation du profil de température dans la zone de confluence. En effet, les trajectoires des différents flux délivrés par chacun des orifices traversant vont pénétrer le flux primaire à différents endroits de ce dernier, et ,en fonction des cercles sur lesquels les orifices traversant dont ils émanent sont, à différentes distances de la sortie du canal primaire dans la direction de l'axe de rotation de la turbine. Ces différentes trajectoires permettent ainsi de répartir le flux froid secondaire sur une large plage spatiale et ainsi d'optimiser le mélange et d'améliorer l'homogénéité du flux d'air mélangé obtenu.

Selon un troisième aspect du turboréacteur, les orifices de la paroi de confluence distribués sur un même cercle sont équirépartis dans la direction azimutale sur la paroi annulaire, c'est-à-dire répartis à équidistance angulaire sur une même circonférence. L'équirépartition azimutale des orifices traversant sur un même cercle offre une deuxième possibilité d'optimisation du profil de température dans la zone de confluence permettant notamment d'homogénéiser et d'accélérer le mélange des deux flux. Les orifices disposés sur une même circonférence sont séparés des deux orifices adjacents d'une même distance angulaire par rapport au centre du cercle.

Selon un quatrième aspect du turboréacteur, celui-ci comprend au moins un orifice traversant ayant un premier diamètre et au moins un deuxième orifice traversant ayant un deuxième diamètre différent du premier diamètre.

La variation des dimensions des orifices traversant offre une troisième possibilité d'optimisation du profil de température dans la zone de confluence. Cette configuration permet de créer un flux inhomogène en sortie de la paroi de confluence en privilégiant certaines parties de la zone de confluence pour le mélange.

Selon un cinquième aspect du turboréacteur, celui-ci comprend une première virole apte à former ledit canal primaire et une seconde virole s'étendant autour de la première virole et apte à former avec la première virole ledit canal secondaire, la paroi annulaire de confluence s'étendant en saillie de l'extrémité de la première virole débouchant sur la zone de confluence et en direction de la seconde virole.

La paroi de confluence est ainsi solidaire à une de ses extrémités avec la première virole et libre à son extrémité opposée en regard de la seconde virole. La paroi de confluence peut ainsi se déformer avec la première virole et éviter toute fuite entre la première virole et la paroi de confluence.

Selon un sixième aspect du turboréacteur, celui-ci comprend un joint mobile, par exemple un joint à lamelles, disposé sur l'extrémité libre de la paroi annulaire de confluence et configuré pour réaliser une jonction étanche entre la paroi annulaire de confluence et la seconde virole.

Le joint mobile permet de réduire voire de supprimer les fuites parallèles de flux secondaire, notamment entre la paroi de confluence et la seconde virole, et ainsi d'améliorer le contrôle du taux de dilution.

Le joint mobile peut être des lamelles sectorisées réparties sur toute la circonférence de la paroi annulaire de confluence.

Selon un septième aspect du turboréacteur, celui-ci comprend une partie génératrice de gaz comportant un compresseur haute pression, une chambre de combustion et une turbine haute pression montés dans ie canal primaire en aval du compresseur basse pression, et une turbine de puissance séparée de la partie génératrice de gaz par ladite zone de confluence qui permet la dilution du flux d'air secondaire dans ie flux d'air primaire en amont de ia turbine de puissance.

Selon un huitième aspect du turboréacteur, celui-ci comprend un rotor à aubes externes. L'invention a également pour objet un aéronef comprenant au moins un turboréacteur tel que défini ci-dessus.

Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures la et lb présentent schématiquement deux exemples structurels d'un turboréacteur selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe schématique d'une portion d'un turboréacteur selon l'invention ; et - la figure 3 présente une vue partielle en perspective de la zone de confluence du turboréacteur de la figure 1.

Description détaillée de modes de réalisation

Les figures la et lb représentent très schématiquement deux exemples structurels d'un turboréacteur 1 selon l'invention.

Dans l'exemple illustré sur la figure la, le turboréacteur 1 comprend une virole externe 2 s'étendant selon un axe de rotation X et formant un carter à l'intérieur duquel sont montés un compresseur basse pression 3, un compresseur HP 42, une turbine basse pression 5 mécaniquement couplée au compresseur basse pression 3, et une turbine de puissance 6 couplée mécaniquement à une soufflante externe non carénée 7 qui s'étend partiellement hors de la virole externe 2.

Le turboréacteur 1 comprend en outre une virole interne 8 insérée dans la virole externe 2 selon le même axe de rotation X et s'étendant sur une partie de la longueur de la virole externe 2 de manière à comprendre le générateur de gaz 4 et la turbine basse pression 5.

Le générateur de gaz 4 comporte un compresseur haute pression 42, une chambre de combustion 44 et une turbine haute pression 36 mécaniquement couplée au compresseur haute pression 42.

Le turboréacteur 1 comprend en outre une virole centrale 9 non représentée sur les figures la à le mais visible sur la figure 2, insérée selon le même axe de rotation X dans la virole interne 8 et s'étendant sur toute la longueur de la virole externe 2.

Les trois viroles 2, 8 et 9 forment ainsi une veine primaire 10, ou canal primaire, et une veine secondaire 11, ou canal secondaire. La veine primaire 10 s'étend entre la virole centrale 9 et la virole interne 8, et la veine secondaire 11 s'étend entre la virole interne 8 et la virole externe 2.

Ainsi le flux d'air F, aspiré par le compresseur basse pression 3 se divise en un flux primaire Fi traversant la veine primaire 10 et un flux secondaire F2 traversant la veine secondaire 11, jusqu'à une zone de confluence 12 dans laquelle le flux primaire Fi et le flux secondaire F2 sont mélangés pour former un flux d'air F optimal en entrée de la turbine de puissance 6.

Dans l'exemple illustré sur la figure lb, le turboréacteur 1 diffère de l'exemple illustré sur la figure la en ce qu'il est dépourvu de turbine basse pression, et en ce que le compresseur basse pression 3, la turbine de puissance 6 et soufflante externe non carénée 7 sont couplés ensemble mécaniquement par un même arbre par exemple.

La figure 2 présente une vue en coupe d'une portion d'un turboréacteur 1 selon l'invention présentant une structure correspondant à celle sur le figure la.

La vue présentée sur la figure 2 est centrée sur la zone de confluence 12 du turboréacteur 1, de sorte que les veines primaire et secondaire 10 et 11 sont partiellement représentées, leur extrémité respective en regard du compresseur basse pression 3, le compresseur basse pression 3 et le générateur de gaz 4 n'étant pas illustrés.

La veine primaire 10 s'étend, dans une direction axiale, entre une première extrémité de la veine primaire 10 disposée en regard du compresseur basse pression 3 et formée par une première extrémité de la virole interne 8, et une seconde extrémité 102 de la veine primaire 10, opposée à la première extrémité de la veine primaire 10, et formée par la seconde extrémité 82, libre, de la virole interne 8.

La veine secondaire 11 s'étend dans une direction axiale entre la surface externe de la paroi de la virole interne 8 et la surface interne de la virole externe 2. La veine secondaire 11 s'étend, dans une direction radiale, entre une première extrémité de la veine secondaire 11 disposée en regard du compresseur basse pression 3 et une seconde extrémité 112 de la veine secondaire 11, opposée à la première extrémité de la veine secondaire 11, et formée par la seconde extrémité 82 de la virole interne 8 et la partie 22 de la virole externe 2 en regard de la seconde extrémité 82 de la virole interne 8, c'est-à-dire coplanaire avec la seconde extrémité 82 de la virole interne 8.

Dans tout le texte, les termes « interne » et « externe » sont utilisés en référence à la position ou l'orientation par rapport à l'axe de rotation X de la veine primaire 10.

Dans tout le texte, les termes « amont » et « aval » sont utilisés en référence au sens d'écoulement de flux gazeux indiqué par les flèches sur les figures 1 et 2.

La veine primaire 10 et la veine secondaire 11 débouchent ainsi toutes deux, via leur seconde extrémité 102 et 112 respective, sur la zone de confluence 12 dans laquelle le flux gazeux secondaire F2 se mélange au flux gazeux primaire Fi afin d'augmenter la quantité de gaz chauffé et ainsi augmenter le facteur de poussée en amont de la turbine de puissance 6. A la seconde extrémité 112 de la veine secondaire 11 en regard de la zone de confluence 12, la veine secondaire 11 est obturée par une paroi de confluence 13 percée d'orifices traversant 14, configurés sous la forme de trous circulaires laissant passer le gaz du flux secondaire F2.

Comme cela est illustré sur la figure 3 qui présente une vue partielle en perspective de la zone de confluence 12 du turboréacteur 1, la paroi de confluence 13 présente une forme annulaire de manière à obturer le canal secondaire 11 sur toute sa surface.

La paroi de confluence 13 comprend une première extrémité circulaire 131 et une seconde extrémité circulaire 132 opposée à la première extrémité circulaire 131. La première extrémité circulaire 131 de la paroi de confluence 13 est solidaire de la seconde extrémité 82 de la virole interne 8 débouchant sur la zone de confluence 12. La paroi de confluence 13 s'étend en saillie de virole interne 8, dans un plan sensiblement orthogonal à la surface cylindrique de la virole interne 8, en direction de la partie 22 de la virole externe 2 formant, avec la seconde extrémité 82 de la virole interne 8, la seconde extrémité 112 de la veine secondaire 11.

La seconde extrémité circulaire 132 de la paroi de confluence 13 qui est disposée en regard de la virole externe 2, et plus particulièrement en regard de la partie 22 formant la seconde extrémité 112 de la veine secondaire 11, comprend un joint à lamelles 15. Le joint à lamelles 15 permet de réaliser une jonction étanche entre la paroi de confluence 13 et la virole externe 2 au niveau de la partie 22 et ainsi s'assurer que le flux secondaire F2 admis dans la zone de confluence 12 est délivré uniquement par les orifices traversant 14 de la paroi de confluence 13. Cela permet de maîtriser au mieux le taux de dilution de la confluence.

Comme illustré sur la figure 3, les orifices 14 de la paroi de confluence 13 sont répartis, dans ce mode de réalisation, sur deux cercles distincts et uniformément sur chacun des deux cercles, c'est-à-dire que sur un même cercle la distance séparant deux trous 14 adjacents est toujours la même. Autrement dit l'arc entre deux orifices 14 adjacents est toujours le même tout au long du cercle.

Les trous 14 peuvent être prévus avec des diamètres différents en fonction de la configuration recherchée, ou bien avec une répartition non uniforme.

La turbine de turboréacteur selon l'invention possède ainsi une confluence robuste aux tolérances de fabrication et permettant de calibrer précisément le taux de dilution notamment pour des taux de dilution faibles et des dimensions de veine secondaire faibles.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Turboréacteur (1) à double flux comprenant un compresseur basse pression (3) apte à prélever un flux d'air destiné à être divisé en un flux d'air primaire (Fi) et un flux d'air secondaire (F2) distincts, un canal primaire (10) apte à acheminer le flux d'air primaire (Fi) depuis le compresseur basse pression (3) jusqu'à une zone de confluence (12) des flux d'air primaire et secondaire (Fi et F2) permettant la dilution du flux d'air secondaire (F2) dans le flux d'air primaire (Fi), et un canal secondaire (11) apte à acheminer le flux d'air secondaire (F2) depuis le compresseur basse pression (3) jusqu'à la zone de confluence (12), caractérisé en ce qu'il comprend une paroi annulaire de confluence (13) percée d'une pluralité d'orifices traversants (14).
2. 2. Turboréacteur (1) selon la revendication 1, dans lequel l'extrémité du canal secondaire (112) débouchant sur la zone de confluence (12) est au moins partiellement fermée par ladite paroi de confluence (13).
3. 3. Turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les orifices (14) de la paroi de confluence (13) sont distribués sur au moins deux cercles de même axe de rotation (X) et de rayons différents.
4. 4. Turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les orifices (14) de la paroi de confluence (13) distribués sur un même cercle sont équirépartis dans la direction azimutale sur la paroi annulaire de confluence (13).
5. 5. Turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant au moins un orifice traversant (14) ayant un premier diamètre et au moins un deuxième orifice traversant ayant un deuxième diamètre différent du premier diamètre.
6. 6. Turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant une première virole (8) apte à former ledit canal primaire (10) et une seconde virole (2) s'étendant autour de la première virole (8) et apte à former avec la première virole (8) ledit canal secondaire (11), la paroi annulaire de confluence (13) s'étendant en saillie de l'extrémité de la première virole (8) débouchant sur la zone de confluence (12) et en direction de la seconde virole (2).
7. 7. Turboréacteur (1) selon la revendication 6, comprenant un joint mobile (15) disposé sur l'extrémité libre (132) de la paroi annulaire de confluence (13) et configuré pour réaliser une jonction étanche entre la paroi annulaire de confluence (13) et la seconde virole (2).
8. 8. Turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant une partie génératrice de gaz (4) comportant un compresseur haute pression (42), une chambre de combustion (44) et une turbine haute pression (46) montés dans le canal primaire (10) en aval du compresseur basse pression (3), et une turbine de puissance (6) séparée de la partie génératrice de gaz (3) par ladite zone de confluence (12) qui permet la dilution du flux d'air secondaire (F2) dans le flux d'air primaire (Fi) en amont de la turbine de puissance (6).
9. 9. Turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant un rotor à aubes externes (7).
10. 10. Aéronef comprenant au moins un turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 à 9.