ES2623876T3

ES2623876T3 - Dispositivo de eyección de gases de un motor de turbina de gas y motor de turbina de gas

Info

Publication number: ES2623876T3
Application number: ES11708916.9T
Authority: ES
Inventors: Eric Jean-Louis Bouty; Pierre-Luc Regaud; Antoine Yvan Alexandre Vallon
Original assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2031-02-09
Also published as: KR20130036182A; CN102753807A; FR2956446A1; WO2011098729A1; EP2534358A1; US20130000748A1; FR2956446B1; JP5816633B2; CN102753807B; RU2555059C2; KR101764944B1; JP2013519818A; PL2534358T3; CA2789258A1; RU2012138948A; EP2534358B1

Abstract

Dispositivo de eyección de gases de un motor de turbina de gas que incluye una pared externa (11) y una pared interna (12) que entre sí delimitan una vena (V) de flujo de los gases, determinando la pared interna (12) un cuerpo central (12) definitorio de una cavidad interna (C), estando la pared externa (11) perforada y comunicando con al menos una cavidad externa de resonancia (13) para la atenuación de ruido en un primer margen de frecuencias sonoras, incluyendo asimismo medios de establecimiento de comunicación fluida (15) entre las cavidades externa (13) e interna (C) que se extienden a través de la vena de flujo de los gases (V), configurándose así la cavidad interna (C) en cavidad de resonancia para la atenuación de ruido en un segundo margen de frecuencias sonoras, caracterizado por el hecho de que los medios de establecimiento de comunicación fluida (15) incluyen brazos radiales (15) que asimismo cumplen una función de sujeción mecánica del cuerpo central (12).

Description

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DESCRIPCION

Dispositivo de eyeccion de gases de un motor de turbina de gas y motor de turbina de gas La invencion se refiere al campo de la reduccion del ruido de un motor de turbina de gas.

Un motor de turbina de gas para una aeronave tal como un avion o un helicoptero generalmente comprende, de aguas arriba a aguas abajo en el sentido del flujo de los gases, una o varias etapas de compresores, una camara de combustion, una o varias etapas de turbinas y un dispositivo de eyeccion de los gases tal como una tobera.

Un problema constante de los fabricantes de motores es la reduccion del ruido, especialmente en interes del confort de los pasajeros y de los habitantes de las zonas que las aeronaves sobrevuelan. En particular, los helicopteros se desplazan en proximidad a las zonas pobladas, y el ruido emitido por sus toberas de escape determina una componente importante del ruido total que generan. La atenuacion del ruido emitido por la tobera se puede obtener mediante la utilizacion de un revestimiento de atenuacion acustica conformante de la pared interna de la tobera y, por lo tanto, de la envuelta externa de la vena de gas, veanse, por ejemplo, los documentos US 2988302, US 4244441.

Tal revestimiento puede incluir, por ejemplo, una chapa perforada que desemboca en una o varias cavidades de resonancia, determinando cada conjunto de una cavidad y de uno o varios orificios un resonador de Helmholtz. Las cavidades pueden ser, por ejemplo, de estructura del tipo de nidos de abeja o determinadas simplemente mediante tabiques transversales y/o longitudinales.

Tales revestimientos de atenuacion o tratamiento acustico generalmente permiten la atenuacion de las frecuencias sonoras llamadas medianas, por ejemplo comprendidas entre 2 y 5 kHz. Las frecuencias sonoras tratadas dependen especialmente de la profundidad de las cavidades de resonancia, las cuales, por tanto, se dimensionan al efecto.

Ahora bien, un motor de turbina de gas genera ruidos a diferentes frecuencias. En el caso de un motor de turbina de gas para helicoptero, generalmente se advierten picos de ruidos en un primer margen de (bajas) frecuencias, alrededor de 0,5 kHz, y en un segundo margen de (medianas) frecuencias, alrededor de 2 kHz. Si bien se puede dimensionar con bastante facilidad las cavidades de resonancia para atenuar los sonidos del segundo margen de frecuencias, en cambio, es bastante diffcil, por motivos de restricciones de ocupacion de espacio, atenuar los sonidos del primer margen de frecuencias, puesto que su atenuacion llevana consigo la utilizacion de cavidades demasiado profundas, a la vista del volumen disponible. Ahora bien, estos sonidos de bajas frecuencias son causantes de ruidos desagradables, en particular en el despegue del helicoptero.

El objetivo de la presente invencion es proponer una tobera de motor de turbina de gas que permita una atenuacion eficaz de varios margenes de frecuencias, en particular de bajas y de medianas frecuencias.

La invencion se aplica particularmente bien en la atenuacion del ruido de tobera de un motor de turbina de gas de helicoptero. No obstante, la firma solicitante no pretende restringir el campo del alcance de sus derechos a esta sola aplicacion, siendo la invencion de mas general aplicacion en un dispositivo de eyeccion de gases de un motor de turbina de gas.

Asf pues, la invencion se refiere a un dispositivo de eyeccion de gases de un motor de turbina de gas que incluye una pared externa y una pared interna que entre sf delimitan una vena de flujo de los gases, determinando la pared interna un cuerpo central definitorio de una cavidad interna, estando la pared externa perforada y comunicando con al menos una cavidad externa de resonancia para la atenuacion de ruido en un primer margen de frecuencias sonoras, incluyendo asimismo medios de establecimiento de comunicacion fluida entre las cavidades externa e interna que se extienden a traves de la vena de flujo de los gases, configurandose asf la cavidad interna en cavidad de resonancia para la atenuacion de ruido en un segundo margen de frecuencias sonoras. El dispositivo se caracteriza por el hecho de que los medios de establecimiento de comunicacion fluida incluyen brazos radiales que asimismo cumplen una funcion de sujecion mecanica del cuerpo central.

Merced a la invencion, es posible atenuar los ruidos de dos margenes de frecuencias sonoras sin incremento de volumen de la o las cavidades situadas por el lado externo de la vena de gas. De este modo, a igualdad de ocupacion de espacio, se pueden atenuar ruidos que en la tecnica anterior no podfan serlo. Por ultimo, con la invencion, las cavidades externa e interna determinan una cavidad resonante unica con posibilidad de tratar varios margenes de frecuencias sonoras.

De acuerdo con un modo preferido de realizacion, los brazos son huecos y abocan en la cavidad externa de resonancia en correspondencia con la pared externa y, en la cavidad interna de resonancia, en correspondencia con la pared interna.

De acuerdo con un modo preferido de realizacion, la pared interna incluye, por su lado interno, un revestimiento de atenuacion acustica.

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De acuerdo con un modo preferido de realizacion, el primer margen de frecuencias sonoras corresponde a frecuencias medianas, por ejemplo centradas alrededor de 2 kHz, y el segundo margen de frecuencias sonoras corresponde a frecuencias bajas, por ejemplo centradas alrededor de 0,5 kHz.

Se hace constar que, alternativamente, las cavidades externa e interna podnan atenuar un mismo margen de frecuencias sonoras (superponiendose total o parcialmente los margenes de frecuencias atenuados), siendo entonces el objetivo el de aumentar la eficiencia de la atenuacion en este margen.

De acuerdo con un modo preferido de realizacion, la cavidad interna y/o la cavidad externa esta(n) tabicada(s) para el ajuste de las frecuencias que atenuan. En otras palabras, la o las cavidades incluyen uno o varios tabiques; los volumenes arbitrados entre los tabiques pueden ser identicos o diferentes. Estos volumenes estan dimensionados en funcion de las frecuencias a las que se desea sintonizar el tratamiento acustico, de manera conocida para un experto en la materia.

De acuerdo con un modo de realizacion en este caso, los tabiques cumplen asimismo una funcion estructural.

De acuerdo con un modo preferido de realizacion, el dispositivo de eyeccion de gases es una tobera de eyeccion de gases de un motor de turbina de gas.

La invencion aun se refiere a un motor de turbina de gas que incluye un dispositivo de eyeccion de gases tal y como el presentado anteriormente.

Se comprendera mejor la invencion con ayuda de la siguiente descripcion del modo preferido de realizacion de la invencion, con referencia a las laminas de dibujos que se acompanan, en las cuales:

la figura 1 representa una vista esquematica en seccion de un motor de turbina de gas para helicoptero con una tobera conforme al modo preferido de realizacion de la invencion;

la figura 2 es una vista en seccion axial esquematica de la tobera del motor de la figura 1 y

la figura 3 es una vista de frente, desde el lado aguas abajo, de la tobera de la figura 2.

Con referencia a la figura 1, y de manera conocida, un motor de helicoptero de turbina de gas incluye un compresor2 (en este caso concreto, centnfugo y de una sola etapa), alimentado con aire exterior por un canal anular 3 de entrada de aire, una camara de combustion anular 4 (que, en este documento, es de corriente invertida), dotada de inyectores (no representados) que permiten su alimentacion de combustible para la combustion de los gases comprimidos procedentes del compresor 2. Los gases quemados impulsan una primera turbina 5 (en este caso concreto, de una sola etapa), relacionada con el compresor 2 mediante un arbol 6 que los hace solidarios en su giro, y una segunda turbina 7, llamada de potencia (en este caso concreto, de una sola etapa), relacionada mediante un arbol con un engranaje que permite una transferencia de energfa mecanica desde la turbina de potencia 7 hacia un arbol de salida 9, por ejemplo unido a un rotor que impulsa unas palas del helicoptero.

A la salida de la turbina de potencia 7, el motor incluye un dispositivo de eyeccion de gases 10, en este caso concreto una tobera de eyeccion de gases 10, cuya funcion es la de guiar los gases de escape segun una vena V de flujo de los gases o vena de gas V, desde aguas arriba hacia aguas abajo.

La tobera 10 (y, por tanto, sus paredes 11, 12) se extiende en su conjunto segun un eje A. Salvo indicacion en contra, las nociones de longitudinal, radial, transversal, interno y externo se utilizan, mas adelante en la descripcion, con referencia a este eje A.

La tobera 10 incluye una pared o carcasa externa 11 (de forma cilmdrica en su conjunto) y una pared o carcasa interna 12. La pared interna 12 es menos larga longitudinalmente que la pared externa 11, por lo que se extiende de cara a tan solo una parte aguas arriba de esta ultima. La pared externa 11 delimita la envuelta externa de la vena de gas V, en tanto que la pared interna 12 delimita la envuelta interna de la vena de gas V (en la correspondiente porcion aguas arriba); en otras palabras, los gases fluyen entre las paredes interna 12 y externa 11. En ocasiones, en lo referente a la pared externa 11, se hace mencion de difusor.

La pared interna 12 de la tobera 10 determina un cuerpo central 12 de la tobera 10. Este se materializa, en este caso concreto, en forma de una pared con simetna de revolucion alrededor del eje A del turborreactor; el cuerpo central 12, en este caso concreto, es de forma troncoconica y esta cerrado en su extremo aguas arriba 12a y en su extremo aguas abajo 12b (por correspondientes paredes, visibles en la figura 2). En ocasiones, un cuerpo central de tobera es designado por los expertos en la materia con su denominacion en ingles "plug"; tambien lo designan en ocasiones con la palabra "cono", ya que un cuerpo central es, muchas veces, de forma troncoconica en su conjunto. En lo que sigue, se hara mencion indistintamente de pared interna 12 o de cuerpo central 12, por ser coincidentes estas dos nociones. El cuerpo central 12 define una cavidad interna C que se corresponde con su volumen interno.

La tobera 10 incluye, por lo demas, una cavidad externa 13, en este caso concreto de forma anular y que se extiende alrededor de una porcion aguas arriba de la pared externa 11 de la tobera 10 situada, al menos en parte, de cara al cuerpo central 12. Esta cavidad externa 13 esta delimitada por unas paredes aguas arriba 13a,

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exterior 13b y aguas abajo 13c, asf como, por el lado interior, por dicha porcion aguas arriba de la pared externa 11. La pared externa 11 esta perforada con una pluralidad de orificios 14 (representados de manera esquematica en la figura 1); estos orificios 14 cumplen una funcion de establecimiento de comunicacion fluida de la vena de gas V con la cavidad de resonancia 13 para la atenuacion de ruido y, al efecto, tienen salida a ambos lados de la pared interna 12; estan distribuidos, por ejemplo, segun una malla cuadrada, aunque es concebible cualquier tipo de distribucion. La pared externa 11 esta perforada, en este documento, en toda su superficie aguas arriba correspondiente a la cavidad externa 13. La cavidad externa 13 y la pared externa perforada 11 determinan un revestimiento de atenuacion acustica R del tipo resonador de cuarto de onda. Este revestimiento R determina directamente, en este caso concreto, la envuelta externa de la tobera.

La tobera 10 incluye, por otro lado, unos brazos radiales 15 que en este caso concreto cumplen una funcion de sujecion mecanica del cuerpo central 12; estos brazos 15 se extienden entre la pared externa 11 y la pared interna 12 y estan fijados a cada una de estas paredes 11, 12, por ejemplo por soldadura, o tambien por remachado. Los brazos radiales 15, en el presente documento, son en numero de cuatro, equiangularmente repartidos, es decir, diametralmente opuestos dos a dos, hallandose los sucesivos brazos 15 distanciados 90°. Mas generalmente, el numero de brazos 15 esta comprendido preferentemente entre 3 y 5, estando preferentemente repartidos los brazos equiangularmente.

Aparte de su funcion de sujecion mecanica del cuerpo central 12, los brazos 15 se establecen para poner la cavidad externa 13 y la cavidad interna C en comunicacion fluida, para permitir que el sonido pase de una hacia la otra, permitiendo asf que la cavidad interna C determine una cavidad de resonancia para la atenuacion de los sonidos que por ella se propagan.

Mas exactamente, los brazos 15 son huecos y abocan, por su lado externo, en la cavidad externa 13, por su lado interno, en la cavidad interna C. En este caso concreto, estan completamente abiertos tanto por el lado externo 15a como por el lado interno 15b, es decir, estan abiertos, en sus extremos radiales externo 15a e interno 15b, segun toda su seccion transversal a su dimension radial.

De conformidad con otro modo de realizacion no representado, los brazos 15 tan solo estan parcialmente abiertos en su extremo externo 15a y/o en su extremo interno 15b; por ejemplo, un brazo 15 puede incluir, en correspondencia con uno y/u otro de sus extremos externo 15a e interno 15b, una chapa perforada que separa ffsicamente el volumen interior del brazo 15 de la cavidad externa 13 y/o interna C, pero que, no obstante, habilita una comunicacion fluida entre los volumenes que se consideren. Esto permite, de ser deseable, afinar el tratamiento acustico mediante la capa resistiva asf creada.

Cualquiera que sea el modo de realizacion, el sonido se propaga, a traves de las perforaciones 14 de la pared externa 11, desde la vena de gas V al interior de la cavidad externa de resonancia 13, tal y como se ilustra esquematicamente mediante las flechas 16. La profundidad de la cavidad externa 13 esta dimensionada (tal como mas adelante se explica) para permitir la atenuacion de una primera banda de frecuencias sonoras, en este caso concreto, una banda de frecuencias medianas centrada alrededor de 2 a 2,5 kHz.

Merced a los brazos 15 de establecimiento de comunicacion fluida entre las cavidades externa 13 e interna C, el sonido se propaga igualmente desde la cavidad externa 13 al interior de la cavidad interna C, tal y como se ilustra esquematicamente mediante las flechas 17. Esto permite atenuar una segunda banda de frecuencias sonoras dentro de la cavidad de resonancia determinada por la cavidad interna C, por donde se propaga el sonido con origen en la cavidad externa 13 por mediacion de los brazos radiales 15. Preferentemente, merced al volumen relativamente importante que el cuerpo central 12 puede definir para la cavidad interna C, esta ultima puede permitir la atenuacion de un margen de bajas frecuencias, por ejemplo comprendidas entre 0,3 y 1 kHz.

La atenuacion de dos margenes de frecuencias se lleva a cabo sin utilizacion de un volumen suplementario para la tobera 10 con respecto a una tobera de la tecnica anterior que hubiera incluido un cuerpo central y una cavidad externa semejante a la de la tobera 10; y es que el volumen suplementario utilizado para la atenuacion acustica es el del cuerpo central 12 que se logra, merced a los brazos radiales 15, por mediacion de la cavidad externa 13.

Los diferentes elementos constitutivos de la tobera 10 son preferentemente metalicos, por ejemplo conformados en acero basado en mquel o en titanio.

El ajuste de los margenes de frecuencias tratados por la tobera 10 se lleva a cabo especialmente basandose en el volumen de las cavidades externa 13 e interna C.

De este modo, la sintonizacion en frecuencia del revestimiento externo de atenuacion acustica R (es decir, la determinacion de las frecuencias principales que atenua) se lleva a cabo especialmente mediante el ajuste del volumen de la cavidad externa 13 y, mas en particular, mediante el ajuste de su profundidad radial. En efecto, el revestimiento de atenuacion acustica R funciona segun el principio de un resonador llamado "de cuarto de onda", es decir, de un resonador cuya profundidad es igual a la cuarta parte de la longitud de onda de la frecuencia central de la banda de frecuencias que atenua. De este modo, cuanto mas altas frecuencias se deseen atenuar, menor debera ser la profundidad radial de la cavidad 13. En cambio, cuanto mas bajas frecuencias se deseen atenuar, mayor debera ser la profundidad radial de la cavidad 13. Dependiendo de las frecuencias que se vayan a atenuar, la

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cavidad 13, por otro lado, se puede compartimentar en una pluralidad de cavidades (pudiendo ser los tabiques divisorios longitudinales o transversales); por lo demas, en este caso, se puede utilizar una estructura del tipo en nidos de abeja; los tabiques divisorios pueden cumplir asimismo una funcion de sujecion mecanica. Por su parte, la longitud L o dimension longitudinal L de la cavidad 13 actua sobre el coeficiente o la eficiencia de la atenuacion acustica resultante.

Por ejemplo, para atenuar una banda de frecuencias centrada en 2 kHz, se puede prever una cavidad unica 13 de profundidad radial igual a 4 cm, presentando la pared externa 11 una porosidad (relacion de la superficie combinada de los orificios 14 a la superficie total) comprendida preferentemente entre el 5 y el 10 %, por ejemplo igual al 8 %.

Igualmente, la sintonizacion en frecuencia del cuerpo central 12 se lleva a cabo mediante regulacion de su volumen. Por lo tanto, su forma esta adaptada a las mayores frecuencias que se desee atenuar, tfpicamente un margen de frecuencias centrado alrededor de 0,3 o 0,5 kHz. Tambien el volumen de los brazos radiales 15 participa en la atenuacion acustica y puede ser tomado en cuenta. De conformidad con el modo de realizacion descrito, el cono tiene una dimension longitudinal comprendida entre 11 y 23 cm y un radio comprendido entre 6 y 12 cm.

De acuerdo con un modo de realizacion no representado, la cavidad interna C y/o la cavidad externa 11 esta(n) dividida(s) por al menos un tabique para el ajuste de las frecuencias del ruido que atenuan. Este o estos tabiques puede o pueden cumplir asimismo una funcion estructural de rigidizador(es).

De acuerdo con un modo de realizacion no representado, para mejorar aun mas la atenuacion acustica obtenida mediante el cuerpo central 12, este ultimo incluye, por el lado interno de la pared interna 12, un revestimiento de atenuacion acustica. Esto es particularmente ventajoso por cuanto que, al no estar directamente sometida la cavidad interna C a la corriente de gases de escape, es posible utilizar, para este revestimiento, materiales que tradicionalmente no son utilizables para el tratamiento de una pared externa de tobera, por incompatibles con las condiciones a las que se venan sometidos por los gases de escape.

El cuerpo central 12 se ha descrito de forma troncoconica. Se hace constar que, dependiendo del motor y de sus tensiones aerodinamicas, puede presentar otras formas con simetna de revolucion (por ejemplo, una forma cilmdrica). Asimismo, puede no ser con simetna de revolucion, por motivos de reduccion del ruido del chorro de gas o de reduccion de la firma infrarroja; el cuerpo central puede presentar, en este caso, una seccion transversal de forma ondulada, rectangular o elfptica, por ejemplo. La presente invencion es de aplicacion en todas las formas de cuerpos centrales, en tanto puedan definir una cavidad de resonancia relacionada con la cavidad externa de la tobera por medios que se extienden a traves de la vena de gas V.

Se hace constar, por otro lado, que el cuerpo central 12 puede, en ciertos motores de turbina de gas y, en particular, en los turborreactores para aviones, cumplir otra funcion, que es la de guiar la corriente de desgasificacion del motor. En efecto, en ciertos motores se preve, en el extremo aguas abajo de su arbol central, un orificio de desgasificacion, por el que escapan diversos fluidos tales como vapor de aceite, ciertos gases de refrigeracion, etc. Generalmente se alude como separador de aceite. En este caso, bien una tubena de grna de la corriente de desgasificacion se extiende en el seno del cuerpo central hasta su extremo, para un guiado canalizado de la corriente de desgasificacion, o bien no se preve ninguna tubena, encargandose el cuerpo central, mediante su superficie interna, del guiado de la corriente de desgasificacion. La desgasificacion generalmente se lleva a cabo por aspiracion, al ser la presion en el seno de la tubena o del cuerpo central inferior a la presion dentro del recinto del turborreactor. Esta funcion de grna de la corriente de desgasificacion puede estar combinada con la funcion de cavidad de resonancia de la invencion.

Se hace constar, por otro lado, que tambien se pueden prever cavidades de resonancia aguas abajo de la cavidad externa 13, para mejorar aun mas la atenuacion acustica.

Tambien se hace constar que en la tobera puede estar previsto un eyector (que alimenta la tobera con una corriente de gas secundaria), no siendo incompatible con la invencion la presencia de tal eyector.

En los motores donde hay necesidad, los brazos radiales 15 pueden permitir asimismo el paso de elementos de servicio tales como cables o arneses electricos, canalizaciones de transporte de fluido, etc.

La invencion se ha presentado en relacion con una tobera rectilmea segun un eje A. De acuerdo con un modo de realizacion no representado, la tobera puede ser de forma curva, lo cual puede ser util en la aplicacion a un helicoptero; tal modo de realizacion no es incompatible con la invencion.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de eyeccion de gases de un motor de turbina de gas que incluye una pared externa (11) y una pared interna (12) que entre sf delimitan una vena (V) de flujo de los gases, determinando la pared interna (12) un cuerpo central (12) definitorio de una cavidad interna (C), estando la pared externa (11) perforada y comunicando con al menos una cavidad externa de resonancia (13) para la atenuacion de ruido en un primer margen de frecuencias sonoras, incluyendo asimismo medios de establecimiento de comunicacion fluida (15) entre las cavidades externa (13) e interna (C) que se extienden a traves de la vena de flujo de los gases (V), configurandose asf la cavidad interna (C) en cavidad de resonancia para la atenuacion de ruido en un segundo margen de frecuencias sonoras, caracterizado por el hecho de que los medios de establecimiento de comunicacion fluida (15) incluyen brazos radiales (15) que asimismo cumplen una funcion de sujecion mecanica del cuerpo central (12).
2. Dispositivo de eyeccion de gases segun la reivindicacion 1, en el que los brazos (15) son huecos y abocan en la cavidad externa de resonancia (13) en correspondencia con la pared externa (11) y, en la cavidad interna de resonancia (C), en correspondencia con la pared interna (12).
3. Dispositivo de eyeccion de gases segun la reivindicacion 1 o 2, en el que la pared interna (12) incluye, por su lado interno, un revestimiento de atenuacion acustica.
4. Dispositivo de eyeccion de gases segun una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el primer margen de frecuencias sonoras corresponde a frecuencias medianas, por ejemplo centradas alrededor de 2 kHz, y el segundo margen de frecuencias sonoras corresponde a frecuencias bajas, por ejemplo centradas alrededor de 0,5 kHz.
5. Dispositivo de eyeccion de gases segun una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la cavidad interna (C) y/o la cavidad externa (11) incluyen al menos un tabique para el ajuste de las frecuencias del ruido que atenuan.
6. Dispositivo de eyeccion de gases segun la reivindicacion 5, en el que el tabique (7) cumple asimismo una funcion estructural.
7. Dispositivo de eyeccion de gases segun una de las reivindicaciones 1 a 6, que es una tobera de eyeccion de gases de un motor de turbina de gas.
8. Motor de turbina de gas que incluye un dispositivo de eyeccion de gases segun una de las reivindicaciones 1 a 7.