FR3070187B1 - Ecope inter-veine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une tuyère primaire (11) définissant une portion de veine primaire (Vp) d'une turbomachine à double-flux (10) définie autour d'un axe longitudinal (X), à l'intérieur de laquelle on définit une veine primaire (Vp) et à l'extérieur de laquelle on définit une veine secondaire (Vs), ladite tuyère primaire comprenant à son extrémité avale un mélangeur à lobes (130) présentant une alternance de lobes chauds (134) s'étendant radialement vers l'extérieur au sein de la veine secondaire (Vs) et de lobes froids (132) s'étendant radialement à l'intérieur au sein de la veine primaire (Vp), la tuyère primaire (11) comprenant une écope traversante (200) permettant de transférer une fraction du flux primaire circulant dans la veine primaire (Vp) vers le flux secondaire circulant dans la veine secondaire (Vs), et l'écope traversante (200) se trouvant en amont du mélangeur (130), et est située au même azimut qu'un lobe chaud (134) du mélangeur (130).

Description

Ecope inter-veine

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL

La présente invention se rapporte au domaine de la réduction du bruitpour une turbomachine à flux mélangés. Elle concerne plusparticulièrement l'arrière corps d'un turboréacteur avec mélangeur, où leflux primaire en sortie du moteur et le flux secondaire se mélangent àl’intérieur d’une tuyère dite secondaire, pour former un jet propulsédans l’air externe.

Le domaine des turbomachines concernées est ainsi relatif aux tuyèresLDMF (« long duct mixed-flow »), c'est-à-dire une tuyère secondaires'étendant au-delà du mélange des flux. L'invention concerne en particulier les solutions apportées auxproblématiques d'acoustique dans le cadre de tuyère secondaire diteconvergente-divergente.

ETAT DE L'ART

Dans le cadre des tuyères secondaire dite convergente-divergente, unesource de bruit vient du fait qu'une poche de Mach est présente auniveau du col de la tuyère.

En effet, l’interaction entre la turbulence issue du mélange des deux fluxet les zones d’écoulement supersonique dans la tuyère est une sourcede bruit haute fréquence. Ce phénomène peut apparaître notammentlorsque la tuyère commence à s'amorcer.

Ce phénomène s'observe plus nettement lorsqu'un mélangeur à lobesest installé à la confluence des flux primaire et secondaire. On se réfèreaux demandes FR2902469 ou EP1870588 pour les mélangeurs, ainsi qu'au document WO2015/036684 qui propose une solution à l'aide dechevrons situés sur le bord de fuite de la tuyère.

Toutefois, la présente invention se place dans le cadre des tuyères ditesconvergentes-divergentes. Ces dernières permettent d'améliorer lesperformances des tuyères à flux mélangés, notamment en augmentantla taille du convergent-divergent (ratio appelé « CVDC » et référencéclassiquement A9/A8 - voir figure 1, où sont illustrés une tuyère 110,un bord de fuite 114 et un col 112 et les sections respectifs Sf/Sc). Unetuyère convergente-divergente, par définition, présente une sectionminimale dont le positionnement axial ne coïncide pas avec l'une desextrémités du conduit. L'utilisation d'une tuyère secondaireconvergente-divergente a deux avantages : elle permet de modifiersensiblement le coefficient de débit à faible taux de détente et améliorerla performance de la tuyère. Cette augmentation est bénéfique pour laperformance du moteur mais elle est pénalisante acoustiquement.

Comme indiqué précédemment, on observe au niveau du col l'apparitiond'une poche de Mach (voir figure 2, où les deux courbes représentent lebruit avec mélangeur en trait plein et sans mélangeur en trait pointillé -en abscisse la fréquence F et en ordonnée le niveau de pression sonoreSPL pour Sound Pressure Levet, en décibel). Les turbulences issues dumélange des deux flux et la poche de Mach provoquent l'apparition debruits indésirables.

PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention vise à réduire les conséquences acoustiques précités, dans lecadre de tuyère secondaire convergente-divergente avec mélangeur.

Pour cela, l'invention propose une tuyère primaire définissant uneportion de veine primaire d'une turbomachine à double-flux définie autour d'un axe longitudinal, à l'intérieur de laquelle on définit une veineprimaire et à l'extérieur de laquelle on définit une veine secondaire,ladite tuyère primaire comprenant à son extrémité avale un mélangeur àlobes présentant une alternance de lobes chauds s'étendant radialementvers l'extérieur au sein de la veine secondaire et de lobes froidss'étendant radialement à l'intérieur au sein de la veine primaire,dans laquelle tuyère primaire comprend une écope traversantepermettant de transférer une fraction du flux primaire circulant dans laveine primaire vers le flux secondaire circulant dans la veine secondaire,et l'écope traversante se trouve en amont du mélangeur, et est situéeau même azimut qu'un lobe chaud du mélangeur. L'invention peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seulesou en combinaison : - l'écope traversante est une écope avec intrusion comprenant uneguide d'admission permettant de prélever la fraction du flux primaire, - l'écope traversante comprend une guide d'échappement, permettantde guider la fraction prélèvement vers le mélangeur, - la tuyère comprend une pluralité d'écopes traversantes, chaque écopeétant situé en au même azimut qu'un lobe chaud du mélangeur, - l'écope comprend une largeur qui correspond sensiblement à la largeurdu lobe chaud à la base, - l'écope traversante comprend des moyens de désactivation et/ou estrétractable. L'invention concerne aussi un ensemble comprenant : - une tuyère primaire telle que décrit précédemment, - une tuyère secondaire définissant une portion de veine secondaire etoù peuvent se rejoindre les flux issus de la veine secondaire et la veineprimaire, la tuyère secondaire étant de forme convergente-divergenteavec un col correspondant à une section minimale de la tuyère. L'ensemble peut comprendre les caractéristiques suivantes, prisesseules ou en combinaisons : - la distance entre l'écope et le plan d'éjection des lobes chauds dumélangeur est supérieure à la distance longitudinale entre le col et leplan d'éjection du mélangeur, - le mélangeur et/ou l'écope est configuré pour que l'éjection au niveaudu lobe chaud se fasse entre 10 et 80°, préférablement 10 et 60°, L'invention concerne aussi un autre ensemble comprenant - une tuyère primaire telle que décrite précédemment, - une étage de turbine dans la veine primaire, l'écope traversante étant situé longitudinalement entre le mélangeur etl'étage de turbine. L'invention concerne aussi une turbomachine comprenant une tuyèretelle que décrite précédemment ou un ensemble tel que décritprécédemment.

PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortirontde la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative,et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 illustre le principe général d'une tuyère convergente-divergente, - La figure 2 illustre des spectres de bruit (en décibel) d'uneturbomachine avec et sans mélangeur à lobes, - Les figures 3 et 4 illustrent un mode de réalisation de l'invention, - La figure 5 illustre des lobes chauds et froids d'un mode deréalisation d'un mélangeur à lobe.

DESCRIPTION DETAILLEE L'invention va à présent être décrite en relation avec les figures 3 à 4. L'arrière corps de turbomachine 100 concerné appartient à uneturbomachine 10 à double-flux, comprenant une veine primaire Vp etune veine secondaire Vs. On parlera de veine pour le volume au traversduquel circule un flux. Dans la veine primaire Vp circule donc le fluxprimaire et dans la veine secondaire Vs circule donc le flux secondaire.

La turbomachine 10 est agencée autour d'un axe longitudinal X. Ondéfinit l'abscisse comme la position le long de cet axe longitudinal X.

Au sein de la veine primaire Vp, la turbomachine 10 comprend deséléments classiques connus de l'homme du métier, comme un ouplusieurs étages de compression, une chambre de combustion et enfinun ou plusieurs étages de turbines, qui entraînent notamment lescompresseurs et aussi un fan, qui permet d'alimenter la veinesecondaire Vs et fournit l'essentiel de la poussée. A l'extrémité avale, laveine primaire Vp est définie par une tuyère primaire 11, qui permetl'éjection du flux primaire. La tuyère primaire 11 peut être formée deplusieurs pièces distinctes.

De la même façon, au sein de la veine secondaire Vs, la turbomachine10 intègre des éléments classiques connus de l'homme du métier. Enparticulier, à l'extrémité avale, la veine secondaire est définie par unetuyère 110, dite tuyère secondaire. Dans le cas des turbomachinesLDMF, elle s'étend en aval au-delà de la tuyère primaire 11. Parconséquent, la tuyère secondaire 110 éjecte le flux secondaire, mélangéau flux primaire.

Cette tuyère secondaire 110 est convergente-divergente. Commeindiqué en introduction, cela signifie que le rayon (ou le diamètre) de latuyère diminue puis augmente à nouveau, dans le sens d'écoulement du flux. La conséquence directe est que la section d'écoulement diminuepuis augmente à nouveau.

On appelle « col » 112 de la tuyère secondaire la partie de la tuyère110, à une abscisse xcoi, où cette section est minimale.

Le ratio de convergence-divergence est typiquement compris entre100% et 105% (ratio de la section au bord de fuite 114 sur la section aucol 112 : Sf/Sc). L’arrière corps de turbomachine 100 peut comporter en outre un corpscentral 12 limitant l’extension radiale de la veine primaire à l’intérieur dela tuyère 110. Ce corps central 12 n’est pas concerné par l’invention. Ilest situé sur l'axe longitudinal X et s'arrête généralement après un bordde fuite 120 de la tuyère.

La tuyère primaire 11 comprend un bord de fuite 120, à une abscisse xpen amont de l'abscisse xcoi. Le corps central 12, s'il est présent, s'étendau-delà longitudinalement du bord de fuite 120, c'est-à-dire en aval del'abscisse xp.

Comme illustré sur les figures 3 et 5, la tuyère primaire 11 se terminepar un mélangeur à lobes 130 qui a pour fonction, comme indiquée enintroduction, de mélanger les flux primaires et secondaires avant qu'ilsne soient complètement éjectés de la tuyère secondaire 110. Lemélangeur à lobes 130 est une pièce profilée prolongeant à l’intérieur dela tuyère secondaire 110, jusqu'à l'abscisse déterminée xp, les paroisdéfinissant la veine primaire Vp et la veine secondaire Vs. L’épaisseur dubord de fuite 120 du mélangeur 130 est généralement faible pour éviterun effet de culot entre les deux flux. Le mélangeur à lobes 130 s'arrêtegénéralement à une distance significative de l'extrémité aval de latuyère secondaire 110 pour permettre au mélange de flux des'homogénéiser. On rappelle que l'invention se place dans les cadres desturbomachines LDMF (« long duct - mid flow »).

Comme visible sur la figure 3 ou 5, un exemple de mode de réalisationdu mélangeur 130 est constitué avec des lobes symétriques, périodiquesen azimut autour de l'axe longitudinal X. Sur cet exemple, la ligne debord de fuite 120 a une forme tridimensionnelle ondulée en azimut etrégulière qui passe périodiquement par un point bas 132 de rayonminimum et un point haut 134 de rayon maximum. La forme dumélangeur est préférentiellement obtenue en rejoignant cette ligne debord de fuite 120 par des surfaces régulières lisses, d'un côté à lasection circulaire de la paroi extérieure de la veine primaire Vp, del'autre côté à la section circulaire de la paroi intérieure de veinesecondaire Vs. Des moyens connus permettent à l'homme du métierd'obtenir ces surfaces lisses en définissant des lois régulières devariation de rayon pour joindre les sections d'entrée au bord de fuite120 du mélangeur à lobes 130.

Sur l'exemple présenté, les évolutions du bord de fuite 120 dumélangeur 130 sont périodiques. De cette manière, la surface moyenneentre la paroi radialement externe et la paroi radialement interne dumélangeur 130 fait des ondulations périodiques en azimut autour del'axe longitudinal X qui créent, du côté du flux primaire sous les pointshauts 134 du bord de fuite 120, des lobes divergents (dits lobes chaudset référencés 134 par simplification), et créent, du côté du fluxsecondaire au-dessus des points bas 132 du bord de fuite 120, des lobesconvergents (dit lobes froids et référencés 132 par simplification).

Sur l'exemple présenté, l'abscisse xp sur l'axe longitudinal X quidétermine l'extension maximale du mélangeur à lobes 6 en avalcorrespond aux points haut (appelés sommets) des lobes chauds. Onappelle xe l'abscisse sur l'axe longitudinal X des lobes chauds. Parl'abscisse xe passe un plan d'éjection, c'est-à-dire un plan à partirduquel le flux d'air est éjecté des lobes chauds. Cet exemple deréalisation de mélangeur, comporte dix-huit lobes chauds symétriques autour du plan axial passant par leur milieu et répartis de manièrepériodique.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on peut envisager dedéfinir un mélangeur à lobes 130 en modifiant son extension axiale, letaux de pénétration des lobes (déterminé essentiellement par les rayonsdes points hauts 134 et bas 132 du bord de fuite 120), la forme de cebord de fuite 120, ainsi que le nombre de lobes. Les lobes peuventégalement ne pas présenter de plans axiaux de symétrie. De même,bien que la répartition des lobes soit essentiellement périodique, cettepériodicité peut être localement affectée en modifiant la forme decertains lobes, par exemple pour adapter le mélangeur 130 à unpassage de pylône.

Le mélangeur à lobe 130 favorise le mélange des flux primaire Vp etsecondaire Vs dans la veine à l'intérieur de la tuyère secondaire 110,notamment en provoquant des cisaillements et des tourbillons àl'interface entre les flux. A présent que le cadre général a été décrit, les moyens de l'inventionvont être explicités.

La tuyère primaire 11 comprend une écope traversante 200, qui permetde transférer une fraction du flux primaire, chaud, vers le fluxsecondaire, froid. Cette écope 200 se trouve en amont du mélangeur130 et se trouve au même azimut qu'un lobe chaud 134, ce qui permetd'envoyer un flux d'air froid sur le mélangeur 130 qui va éjecter cet airchaud vers la tuyère secondaire 110 pour réchauffer plus spécifiquementla zone d'interaction entre le sillage du lobe chaud et la poche de Machsituée au niveau du col 112, à proximité de la paroi interne de la tuyère110

On compte préférablement une pluralité d'écopes traversantes 200,réparties azimutalement avec les lobes chauds 134 du mélangeur. Oncompte idéalement une écope 200 par lobe chaud 134. La descriptionsuivante s'applique pour chaque écope 200.

La largeur d'une écope 200 est de l'ordre de grandeur du lobe chaud134 à sa base. Des simulations numériques permettent d'optimiser cettelargeur en fonction de la forme exacte du lobe chaud 134.

Pour prélever un flux qui doive s'insérer dans la veine secondaire Vs,l'écope traversante 200 est de type à intrusion et comprend un guided'admission 210. Le guide d'admission 210 peut comprendre uneextension de biais 212 s'insérant dans la veine primaire Vp, dans le sensopposé du flux, ainsi qu'une extension longitudinale 214 dans leprolongement de l'extension de biais 212. Ces deux extensions 212, 214définissent une forme permettant d'extraire une fraction du flux enutilisant la vitesse de déplacement davantage que la pression, comme leferait un simple prélèvement par orifice, sans intrusion.

De la même façon, pour transférer le flux dans la veine secondaire Vs,l'écope traversante 200 comprend un guide d'échappement 220 dont lebut est d'insérer dans le flux secondaire Vs la fraction prélevée le plusaérodynamiquement possible, c'est-à-dire sans créer de perturbations.Pour cela, le guide d'échappement 220 peut comprendre une extensionde biais 222 s'insérant dans la veine secondaire Vs, dans le sens du flux,ainsi qu'une extension longitudinale 224 dans le prolongement del'extension de biais 212. En outre, ce guide d'échappement 220 permetd'assurer que le flux est dirigé vers les lobes chauds 134 du mélangeur130, pour une meilleure éjection vers la paroi interne de la tuyèresecondaire 110. L'éjection du flux par les lobes chauds du mélangeur se fait entre 0 et90°, et préférablement entre 10 et 60°.

Afin d'avoir un système activable ou désactivable en fonction del'utilisation de la turbomachine, des moyens d'obturation de l'écope sontprévus. Préférablement, il s'agit de moyens de désactivation de l'écope200. A titre d'exemple, une écope 200 rétractable est privilégiée. Celasignifie le guide d'admission 210, et préférablement aussi le guided'échappement 220 se rétracte dans la paroi de la tuyère primaire 11pour former une paroi continue.

En effet, il est préférable de pouvoir désactiver ce système lors desphases de croisière. L'écope traversante 200, étant situé sur la tuyère 110, se situe en avaldes étages de turbine, c'est-à-dire en aval de la turbine basse-pression.

Pour un effet optimal, l'écope traversante 200 se situe en amont dudébut de la formation des lobes dans le mélangeur 130. A titred'exemple, l'écope 200 est située longitudinalement à plus d'une fois lediamètre de la tuyère 110 au col 112 par rapport au plan d'éjection dumélangeur 130.

Une augmentation de la température localement de 50°K permet parexemple de faire baisser le Mach entre 0,90 et 0,95, par rapport à unMach de 1 pour une température de 320°K. L'écope 200 présenté permet de gagner jusqu'à 1 EPNdB en cumulé. L'écope 200 peut être activée sur les points de certification acoustiqueet désactivé lors des phases de croisière, pour ne pas impacter laperformance du moteur, notamment en phase de croisière. En chauffantau col et en amont du col, on obtient un effet progressif performant et lerisque de bruit parasite est diminué.

Claims (4)

1. Revendications

   1. Tuyère primaire (11) définissant une portion de veine primaire (Vp)d'une turbomachine à double-flux (10) définie autour d'un axelongitudinal (X), à l'intérieur de laquelle on définit une veine primaire(Vp) et à l'extérieur de laquelle on définit une veine secondaire (Vs),ladite tuyère primaire comprenant à son extrémité avale un mélangeur àlobes (130) présentant une alternance de lobes chauds (134) s'étendantradialement vers l'extérieur au sein de la veine secondaire (Vs) et delobes froids (132) s'étendant radialement à l'intérieur au sein de la veineprimaire (Vp), caractérisée en ce que la tuyère primaire (11) comprend une écopetraversante (200) permettant de transférer une fraction du flux primairecirculant dans la veine primaire (Vp) vers le flux secondaire circulantdans la veine secondaire (Vs), et en ce que l'écope traversante (200) se trouve en amont du mélangeur(130), et est située au même azimut qu'un lobe chaud (134) dumélangeur (130).
2. 2. Tuyère primaire (11) selon la revendication 1, dans lequel l'écopetraversante est une écope (200) avec intrusion comprenant une guided'admission (210) permettant de prélever la fraction du flux primaire(Vp). 3. Tuyère primaire (11) selon l'une quelconque des revendicationsprécédentes, dans laquelle l'écope traversante (200) comprend uneguide d'échappement (220), permettant de guider la fractionprélèvement vers le mélangeur (130). 4. Tuyère primaire (11) selon l'une quelconque des revendicationsprécédentes, comprenant une pluralité d'écopes traversantes (200),chaque écope (200) étant situé en au même azimut qu'un lobe chaud(134) du mélangeur (130). 5. Tuyère primaire (11) selon l'une quelconque des revendicationsprécédentes, dans lequel l'écope (200) comprend une largeur quicorrespond sensiblement à la largeur du lobe chaud (134) à la base. 6. Tuyère primaire (11) selon l'une quelconque des revendicationsprécédentes dans lequel l'écope traversante comprend des moyens dedésactivation et/ou est rétractable. 7. Ensemble comprenant : - une tuyère primaire (11) selon l'une quelconque des revendicationsprécédentes, - une tuyère secondaire (110) définissant une portion de veinesecondaire (Vs) et où peuvent se rejoindre les flux issus de la veinesecondaire (Vs) et la veine primaire (Vp), la tuyère secondaire (110)étant de forme convergente-divergente avec un col (112) correspondantà une section minimale de la tuyère.
3. 8. Ensemble selon la revendication 7, dans lequel la distance entrel'écope et le plan d'éjection des lobes chauds (xe) du mélangeur (130)est supérieure à la distance longitudinale entre le col (112) et le pland'éjection du mélangeur (130). 9. Ensemble selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le mélangeur(130) et/ou l'écope est configuré pour que l'éjection au niveau du lobechaud se fasse entre 10 et 80°, préférablement 10 et 60°. 10. Ensemble comprenant : - une tuyère primaire (11) selon l'une quelconque des revendications 1 à6, - une étage de turbine dans la veine primaire (VP), l'écope traversante (200) étant situé longitudinalement entre lemélangeur (130) et l'étage de turbine.
4. 11. Turbomachine comprenant une tuyère selon l'une quelconque desrevendications 1 à 6 ou un ensemble selon l'une quelconque desrevendications 7 à 10.