FR3129987A1 - Tuyere d’echappement de gaz de combustion pour une turbomachine d’aeronef - Google Patents

Tuyere d’echappement de gaz de combustion pour une turbomachine d’aeronef Download PDF

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Clément Raphaël LAROCHE
Sylvain Eric DOUSSEAUD
Daniel MARQUES
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Safran Aircraft Engines SAS
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Abstract

Tuyère (10) d’échappement de gaz de combustion pour une turbomachine d’aéronef, cette tuyère (10) comportant : - un cône d’éjection (12) qui est centré sur un axe (X) et dont un diamètre externe diminue le long de l’axe (X) de son extrémité amont à son extrémité aval, - un carter annulaire (14) qui s’étend autour de l’axe (X) et du cône (14) et qui porte à son extrémité aval des volets (16) pivotants, et - une enveloppe annulaire (18) qui s’étend autour de l’axe (X) et à l’intérieur du carter annulaire (14), cette enveloppe (18) délimitant avec le cône (12) une veine annulaire (20) d’écoulement de gaz de combustion le long de l’axe (X) et avec le carter (22) un canal annulaire de passage d’air de ventilation le long de l’axe. Figure pour l'abrégé : Figure 3

Description

TUYERE D’ECHAPPEMENT DE GAZ DE COMBUSTION POUR UNE TURBOMACHINE D’AERONEF
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne une tuyère d’échappement de gaz de combustion pour une turbomachine d’aéronef, ainsi qu’une turbomachine d’aéronef comportant une telle tuyère.
Arrière-plan technique
Une turbomachine d’aéronef comprend de manière classique un générateur de gaz comportant d’amont en aval au moins un compresseur, une chambre annulaire de combustion et au moins une turbine. Les expressions amont et aval font référence à l’écoulement des gaz dans la turbomachine, les gaz commençant par être comprimés dans le ou les compresseurs, à être mélangés à du carburant et brûlés dans la chambre de combustion, puis à être détendus dans la ou les turbines.
En aval de la ou des turbines, la turbomachine comprend une tuyère d’échappement ou d’éjection des gaz de combustion. Dans le cadre de la présente invention et en référence à la , la tuyère 10 comprend :
- un cône d’éjection 12 qui est centré sur un axe et dont un diamètre externe diminue le long de l’axe de son extrémité amont (à gauche sur le dessin) à son extrémité aval (à droite sur le dessin),
- un carter annulaire 14 qui s’étend autour de l’axe et du cône 12 et qui porte à son extrémité aval des volets 16 pivotants, et
- une enveloppe annulaire 18 qui s’étend autour de l’axe et à l’intérieur du carter annulaire 14, cette enveloppe 18 délimitant avec le cône 12 une veine annulaire 20 d’écoulement de gaz de combustion (flèche F1) le long de l’axe et avec le carter 14 un canal annulaire 22 de passage d’air de ventilation (flèche F2) le long de l’axe.
Ce type de tuyère 10 est par exemple utilisé dans un générateur de gaz équipé d’un système de post-combustion. Ce système est monté en aval de la chambre de combustion et permet de générer une combustion supplémentaire des gaz en injectant davantage de carburant.
Les gaz de combustion peuvent atteindre des températures très importantes et ceci est d’autant plus vrai pour les gaz de combustion sortant du système de post-combustion.
Dans la tuyère 10 précitée, le carter annulaire 12 est réalisée en général dans un alliage métallique, par exemple à base de titane, qui a une tenue thermique relativement limitée et qui est protégée des gaz de combustion par l’enveloppe 18 et par le canal 22 de passage d’air de ventilation défini entre l’enveloppe 18 et le carter 14. Le carter a une tenue thermique de l’ordre de 350°C et les gaz de combustion peuvent atteindre 800°C dans la veine 20. La différence de température est donc importante d’où l’importance de protéger le carter 14 par l’enveloppe 18 et le canal 22.
Dans la technologie actuelle, l’enveloppe 18 est formée par une tôle ondulée mieux visible à la . Cependant, cette tôle ne protège pas toujours efficacement le carter 14. Il est donc nécessaire de réaliser régulièrement des opérations de contrôle et de remplacement des pièces de la tuyère 10, en particulier après une phase de post-combustion.
Par ailleurs, une autre tôle 24 est montée à l’extrémité aval du canal 22 et est fixée au carter 14. Cette tôle 24 a une forme générale tronconique et délimite avec l’enveloppe 18 des passages pour la sortie de l’air du canal 22. Cependant, en fonctionnement, il existe un risque de réintroduction de gaz de combustion depuis la veine 20 jusque dans le canal 22 en passant par ces passages (flèche F3). Ces gaz de combustion sont susceptibles de perturber la ventilation du carter 14 et d’augmenter la température de ce dernier, ce qui est problématique.
La présente invention a pour but de remédier à au moins une partie des problèmes évoqués dans ce qui précède.
Selon un premier aspect, l’invention concerne une tuyère d’échappement de gaz de combustion pour une turbomachine d’aéronef, cette tuyère comportant :
- un cône d’éjection qui est centré sur un axe et dont un diamètre externe diminue le long de l’axe de son extrémité amont à son extrémité aval,
- un carter annulaire qui s’étend autour de l’axe et du cône et qui porte à son extrémité aval des volets pivotants, et
- une enveloppe annulaire qui s’étend autour de l’axe et à l’intérieur du carter annulaire, cette enveloppe délimitant avec le cône une veine annulaire d’écoulement de gaz de combustion le long de l’axe et avec le carter un premier canal annulaire de passage d’air de ventilation le long de l’axe,
caractérisée en ce que l’enveloppe est du type à double peau et comprend deux peaux annulaires, respectivement interne et externe, qui sont à distance radiale l’une de l’autre et sont reliées entre elles par des éléments de liaison, ces peaux définissant entre elles un second canal annulaire de passage d’air de ventilation le long de l’axe.
L’invention permet de protéger le carter de la tuyère des fortes chaleurs qui règnent en fonctionnement à l’intérieur de l’enveloppe. Deux canaux annulaires de passage d’air de ventilation protègent le carter. Le premier canal est prévu entre l’enveloppe et le carter et un second canal est prévu à l’intérieur de l’enveloppe. Ceci permet d’améliorer la tenue thermique de la tuyère et sa durée de vie, et de limiter les besoins d’opération de contrôle et de maintenance de la tuyère en particulier après une postcombustion bien que l’invention ne soit pas limitée à ce type d’application.
La tuyère selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres, ou en combinaison les unes avec les autres :
- l’enveloppe est réalisée en alliage métallique et forme un ensemble monobloc obtenu par mécanosoudage,
  • les éléments de liaison sont rapportés et fixés sur la peau interne ou sont intégrés à la peau interne, et la peau externe est rapportée et fixée sur les éléments de liaison,
  • la peau externe comprend des orifices qui débouchent au niveau des éléments de liaison pour permettre la fixation par soudage de la peau externe sur les éléments de liaison,
  • les éléments de liaison ont une forme allongée et une section transversale sensiblement en U, I, T ou Ω,
  • les éléments de liaison s’étendent autour de l’axe de manière circulaire ou hélicoïdale,
  • les éléments de liaison sont écartés les uns des autres et définissent entre eux des passages d’air, et/ou comportent des orifices orientés axialement pour le passage de l’air de ventilation,
  • l’enveloppe est fixée en porte-à-faux au carter par son extrémité amont,
  • la peau interne comprend à une extrémité amont une bride annulaire qui s’étend radialement vers l’extérieur et qui est fixée à une bride annulaire du carter, la bride de la peau interne comportant une rangée annulaire d’orifices d’alimentation en air desdites premier et second canaux,
  • la peau externe comprend une extrémité amont tronconique qui est évasée vers l’amont et qui est séparée par des jeux du carter et de la bride de la peau interne,
  • l’enveloppe comprend à une extrémité aval une rangée annulaire de pattes qui s’étendent en direction radiale et comportent chacune une extrémité radialement interne fixée à l’enveloppe et une extrémité radialement externe en appui radial contre le carter ou un organe porté par le carter,
  • les pattes ont chacune une forme générale en S,
  • les pattes sont fixées par soudage sur les éléments de liaison,
-- le second canal a une épaisseur en direction radiale comprise entre 2 et 10mm, et de préférence entre 3 et 8mm.
Selon un second aspect, l’invention concerne une tuyère d’échappement de gaz de combustion pour une turbomachine d’aéronef, cette tuyère comportant :
- un cône d’éjection qui est centré sur un axe et dont un diamètre externe diminue le long de l’axe de son extrémité amont à son extrémité aval,
- un carter annulaire qui s’étend autour de l’axe et du cône et qui porte à son extrémité aval des volets pivotants, et
- une enveloppe annulaire qui s’étend autour de l’axe et à l’intérieur du carter annulaire, cette enveloppe délimitant avec le cône une veine annulaire d’écoulement de gaz de combustion le long de l’axe et avec le carter un canal annulaire de passage d’air de ventilation le long de l’axe,
caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un diaphragme mécanique qui est monté à l’extrémité aval du canal et qui est configuré pour permettre un ajustement d’une section de sortie d’air de ce canal.
L’invention permet de régler la section de sortie d’air du canal de passage d’air de ventilation. Ce réglage peut être provisoire ou permanent et est défini de façon à garantir la sortie de l’air de ventilation tout en évitant ou limitant le risque de réintroduction de gaz de veine dans le canal. La section de sortie peut ainsi être réglée et maintenue pendant toute la durée de fonctionnement voire toute la durée de vie de la turbomachine. La section de sortie peut également être ajustée en direct en fonction du régime ou de la phase de fonctionnement de la turbomachine.
La tuyère selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres, ou en combinaison les unes avec les autres :
- le diaphragme comporte deux parties annulaires, respectivement interne et externe, la partie externe étant fixe et portée par le carter, et la partie interne étant montée mobile en rotation par rapport à la partie externe, le déplacement en rotation de la partie interne par rapport à la partie externe permettant d’ajuster la section de sortie d’air du canal,
  • les parties sont fixées en porte-à-faux au carter,
  • chacune des parties externe et interne a en section une forme en L et comprend une paroi cylindrique ou tronconique qui est reliée à son extrémité aval à un rebord radial orienté vers l’intérieur,
  • le rebord radial de la partie externe comprend une rangée annulaire de premiers orifices axiaux, et le rebord radial de la partie interne comprend une rangée annulaire de seconds orifices axiaux,
  • les premiers et seconds orifices ont une même forme choisie parmi des formes circulaire, allongée, elliptique, oblongue, carrée et rectangulaire,
  • le rebord radial de la partie externe comprend une rangée annulaire de troisièmes orifices axiaux, et le rebord radial de la partie interne comprend une rangée annulaire de quatrième orifices axiaux, la partie interne étant mobile vis-à-vis de la partie externe depuis une première position extrême dans laquelle les premiers orifices sont alignés avec les seconds orifices et les troisièmes orifices communiquent avec les quatrième orifices, jusqu’à une seconde position extrême opposée dans laquelle les premiers et seconds orifices sont obturés et les troisièmes orifices communiquent avec les quatrièmes orifices,
  • au moins l’un des rebords radiaux comprend des extensions radiales vers l’intérieur sur lesquelles l’enveloppe est apte à venir en appui radial, ces extensions radiales définissant entre elles des passages d’air de ventilation.
  • la partie externe a son extrémité amont qui est appliquée radialement contre le carter et fixée à ce carter, et le reste de la partie externe est écarté radialement du carter,
  • la partie interne comprend à son extrémité amont des plots radiaux qui sont en saillie vers l’extérieur et sont réceptionnés dans des logements radiaux de la partie externe, chacun de ces plots radiaux ayant une dimension circonférentielle inférieure à celle du logement dans lequel il est réceptionné de façon à pouvoir déplacer circonférentiellement les plots dans les logements et donc la partie interne vis-à-vis de la partie externe,
  • chacun des plots est appliqué radialement contre le carter et comprend un orifice radial taraudé qui est aligné avec un orifice du carter qui a une forme allongée en direction circonférentielle, une vis étant vissée depuis l’extérieur dans l’orifice taraudé de chacun des plots et traversant l’orifice du carter,
  • la tuyère comprend en outre au moins un actionneur de déplacement de la partie interne vis-à-vis de la partie externe,
  • les extrémités amont des parties sont séparées l’une de l’autre par un jeu radial de passage d’air, et la partie externe comprend des trous débouchants de passage de cet air,
-- le débattement angulaire de la partie interne vis-à-vis de la partie externe du diaphragme est inférieur à 20°, et de préférence compris entre 5 et 10°,
-- le nombre de premiers orifices est égal au nombre de troisièmes orifices et est compris entre 50 et 1000, de préférence entre 60 et 720.
L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef comportant une tuyère telle que décrite ci-dessus.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation non limitatif de l’invention en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la est une vue schématique partielle en coupe axiale d’une tuyère d’échappement d’une turbomachine d’aéronef,
la est vue schématique partielle en perspective d’une enveloppe de la tuyère de la ,
la est une vue schématique partielle en coupe axiale d’un mode de réalisation d’une tuyère d’échappement d’une turbomachine d’aéronef,
la est une vue à plus grande échelle d’un détail de la et illustre la circulation d’air de ventilation,
la est une vue à plus grande échelle d’un autre détail de la et illustre la circulation d’air de ventilation,
la est une vue schématique en perspective de l’enveloppe de la tuyère de la ,
la est une vue schématique en perspective et en coupe axiale de l’enveloppe de la tuyère de la ,
la est une autre vue schématique en perspective de l’enveloppe de la tuyère de la ,
la est une vue schématique en perspective d’une variante de réalisation de l’enveloppe et montre la paroi interne et des éléments de liaison de cette enveloppe,
la est une vue schématique en perspective d’une autre variante de réalisation de l’enveloppe et montre la paroi interne et des éléments de liaison de cette enveloppe,
la est une vue schématique en perspective d’une autre variante de réalisation de l’enveloppe et montre la paroi interne et des éléments de liaison de cette enveloppe,
la est une vue schématique en perspective et en coupe axiale d’un autre détail de la et montre un diaphragme mécanique,
la est une autre vue schématique en perspective et en coupe axiale du diaphragme mécanique,
la est une vue schématique partielle en perspective d’une partie interne du diaphragme de la ,
la est une vue schématique partielle en perspective d’une partie externe du diaphragme de la ,
la est une vue schématique partielle en perspective des parties interne et externe du diaphragme de la , et illustre une position extrême de la partie interne vis-à-vis de la partie externe, et
les figures 17a à 17c illustrent des variantes de réalisation du diaphragme mécanique.

Claims (14)

  1. Tuyère (10) d’échappement de gaz de combustion pour une turbomachine d’aéronef, cette tuyère (10) comportant :
    - un cône d’éjection (12) qui est centré sur un axe (X) et dont un diamètre externe diminue le long de l’axe (X) de son extrémité amont à son extrémité aval,
    - un carter annulaire (14) qui s’étend autour de l’axe (X) et du cône (12) et qui porte à son extrémité aval des volets (16) pivotants, et
    - une enveloppe annulaire (18) qui s’étend autour de l’axe (X) et à l’intérieur du carter annulaire (14), cette enveloppe (18) délimitant avec le cône (12) une veine annulaire (20) d’écoulement de gaz de combustion le long de l’axe (X) et avec le carter (14) un canal annulaire (22) de passage d’air de ventilation le long de l’axe (X),
    caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un diaphragme mécanique (50) qui est monté à l’extrémité aval du canal (22) et qui est configuré pour permettre un ajustement d’une section de sortie d’air de ce canal (22).
  2. Tuyère (10) selon la revendication 1, dans laquelle le diaphragme (50) comporte deux parties annulaires, respectivement interne (54) et externe (56), la partie externe (56) étant fixe et portée par le carter (14), et la partie interne (54) étant montée mobile en rotation par rapport à la partie externe (56), le déplacement en rotation de la partie interne (54) par rapport à la partie externe (56) permettant d’ajuster la section de sortie d’air du canal (22).
  3. Tuyère (10) selon la revendication 2, dans laquelle les parties (54, 56) sont fixées en porte-à-faux au carter (14).
  4. Tuyère (10) selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle chacune des parties externe (56) et interne (54) a en section une forme en L et comprend une paroi cylindrique (56a, 54a) ou tronconique qui est reliée à son extrémité aval à un rebord radial (56b, 54b) orienté vers l’intérieur.
  5. Tuyère (10) selon la revendication 4, dans laquelle le rebord radial (56b) de la partie externe (56) comprend une rangée annulaire de premiers orifices axiaux (66), et le rebord radial (54b) de la partie interne (54) comprend une rangée annulaire de seconds orifices axiaux (84).
  6. Tuyère (10) selon la revendication 5, dans laquelle les premiers et seconds orifices (66, 84) ont une même forme choisie parmi des formes circulaire, allongée, elliptique, oblongue, carrée et rectangulaire.
  7. Tuyère (10) selon l’une des revendications 4 à 6, dans laquelle le rebord radial (56b) de la partie externe (56) comprend une rangée annulaire de troisièmes orifices axiaux (68), et le rebord radial (54b) de la partie interne (54) comprend une rangée annulaire de quatrième orifices axiaux (86), la partie interne (54) étant mobile vis-à-vis de la partie externe (56) depuis une première position extrême dans laquelle les premiers orifices (66) sont alignés avec les seconds orifices (84) et les troisièmes orifices (68) communiquent avec les quatrième orifices (86), jusqu’à une seconde position extrême opposée dans laquelle les premiers et seconds orifices (66, 84) sont obturés et les troisièmes orifices (68) communiquent avec les quatrièmes orifices (86).
  8. Tuyère (10) selon l’une des revendications 4 à 7, dans laquelle au moins l’un des rebords radiaux (56b, 54b) comprend des extensions radiales (70) vers l’intérieur sur lesquelles l’enveloppe (18) est apte à venir en appui radial, ces extensions radiales (70) définissant entre elles des passages (72) d’air de ventilation.
  9. Tuyère (10) selon l’une des revendications 2 à 8, dans laquelle la partie externe (56) a son extrémité amont qui est appliquée radialement contre le carter (14) et fixée à ce carter, et le reste de la partie externe (56) est écarté radialement du carter (14).
  10. Tuyère (10) selon l’une des revendications 2 à 9, dans laquelle la partie interne (54) comprend à son extrémité amont des plots radiaux (76) qui sont en saillie vers l’extérieur et sont réceptionnés dans des logements radiaux (60) de la partie externe (56), chacun de ces plots radiaux (76) ayant une dimension circonférentielle (L2) inférieure à celle (L1) du logement dans lequel il est réceptionné de façon à pouvoir déplacer circonférentiellement les plots (76) dans les logements et donc la partie interne (54) vis-à-vis de la partie externe (56).
  11. Tuyère (10) selon la revendication 10, dans laquelle chacun des plots (76) est appliqué radialement contre le carter (14) et comprend un orifice radial (78) taraudé qui est aligné avec un orifice du carter (14) qui a une forme allongée en direction circonférentielle, une vis (80) étant vissée depuis l’extérieur dans l’orifice (78) taraudé de chacun des plots (76) et traversant l’orifice du carter (14).
  12. Tuyère (10) selon l’une des revendications 2 à 11, dans laquelle elle comprend en outre au moins un actionneur (90) de déplacement de la partie interne (54) vis-à-vis de la partie externe (56).
  13. Tuyère (10) selon l’une des revendications 2 à 12, dans laquelle les extrémités amont des parties (54, 56) sont séparées l’une de l’autre par un jeu radial (J) de passage d’air, et la partie externe (56) comprend des trous (64) débouchants de passage de cet air.
  14. Turbomachine d’aéronef, comportant une tuyère (10) selon l’une des revendications précédentes.
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