FR2565631A1

FR2565631A1 - Melangeur d'echappement pour moteur d'aeronef a turbine a gaz

Info

Publication number: FR2565631A1
Application number: FR8508776A
Authority: FR
Inventors: Sandra Ann Hiles; Malcolm Roy Pike
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1984-06-12
Filing date: 1985-06-11
Publication date: 1985-12-13
Also published as: DE3520726A1; JPS614849A; GB2160265A; GB8414899D0

Abstract

UN MELANGEUR D'ECHAPPEMENT 11 A LOBES MULTIPLES POUR TURBOREACTEUR D'AERONEF A SOUFFLANTE FAVORISE LA COMBINAISON DU COURANT D'AIR DE DILUTION 15 AVANT LA SORTIE DU COURANT COMBINE PAR LA TUYERE FINALE DE PROPULSION 13 DU MOTEUR D'AERONEF. LE MELANGEUR D'ECHAPPEMENT 11 A DES SORTIES NON DIVERGENTES AU SOMMET DES LOBES 37 POUR LES RENDRE CAPABLES DE DELIVRER UN FLUX SORTANT RADIAL MINIMAL DES GAZ D'ECHAPPEMENT LES QUITTANT. LES SILLONS 39, 39 DEFINIS ENTRE LES LOBES ONT DES BORDS DE FUITE QUI SONT INCLINES ALTERNATIVEMENT VERS L'AVANT ET VERS L'ARRIERE. DE FACON A COMBINER LES SORTIES NON DIVERGENTES AUX SOMMETS DES LOBES AVEC LES BORDS DE FUITE INCLINES VERS L'ARRIERE DES SILLONS 39 DANS UN MELANGEUR AYANT UNE LONGUEUR TOTALE MINIMALE, L'ANGLE D'INCLINAISON DES BORDS DE FUITE INCLINES VERS L'ARRIERE DES SILLONS 39 VARIE DEPUIS ZERO AUX SOMMETS RADIALEMENT EXTERIEUR DES LOBES 37 A UNE VALEUR MAXIMALE B A UNE DISTANCE RADIALE R VERS L'INTERIEUR DEPUIS LES SOMMETS DES LOBES.

Description

1. La présente invention concerne des mélangeurs

d'échappement pour moteurs d'aéronef à turbine à gaz à di-

lution (connus sous le nom de turbo-réacteurs à soufflan-

te), dans lesquels le courant des gaz d'échappement de la turbine et le courant d'air de dilution sont combinés l'un à l'autre à l'intérieur du moteur avant leur sortie par une

tuyère finale de propulsion.

Un type bien connu de tuyère de mélangeur d'échap-

pement destiné à être utilisé dans de tels moteurs est le mélangeur dit à lobes multiples, qui amène des parties du

courant d'échappement de la turbine et du courant de dilu-

tion à s'entrecroiser les unes avec les autres et qui aug-

mente également la surface de contact entre les deux cou-

rants, améliorant de ce fait l'efficacité de propulsion du

turbo-réacteur à soufflante par l'amélioration de l'effica-

cité du processus de mélange.

Malheureusement, de telles tuyères de mélange à lobes multiples impliquent une longueur et un poids supplémentaires pour le moteur, de sorte qu'il y a un besoin particulier de minimiser la longueur et le poids si un tel mélangeur est adapté. Une faççn de minimiser la longueur du moteur est de s'assurer que le processus de mélange entre le courant d'échappement de la turbine et le courant de dilution est rendu aussi efficace que possible, puisque ceci réduit la longueur de la conduite d'échappement requise pour permettre au processus de mélange de s'accomplir jusqu'à son achèvement avant que

le courant combiné sorte de la tuyère finale de propulsion.

Dans quelques types de mélangeurs à lobes multi-

ples connus, le processus de mélange est optimisé en "entaillant" ou en "ratissant" vers l'avant et/ou vers l'arrière les plans de sortie des sillons ou canaux entre

les lobes de façon à obtenir un mélange initial et pro-

gressif entre les deux courants avant qu'ils quittent réellement les parties les plus en aval du mélangeur. De cette façon, les courants sont déjà partiellement combinés

avant qu'ils ne quittent le mélangeur et par consé-

quent la longueur de la conduite d'échappement peut être réduite. L'entaillage conduit également à une construction plus légère pour le mélangeur du fait de la suppression de matériau. Des exemples de ce type de mélangeur à lobes sont ceux présentés dans le brevet britannique nO 2. 119.359 A (la grande tuyère extérieure) et ceux présentés dans le brevet américain n 4.117.671,

documents auxquels le lecteur est renvoyé.

On remarquera quele dernier document diffère du précédent par le fait qu'il présente un mélangeur dans lequel les bords de fuite de tous les sillons sont inclinés vers l'avant au lieu que les sillons soient inclinés alternativement vers l'avant et vers l'arrière selon une séquence périphérique, et aussi que les sommets des lobes ont des angles de sortie par rapport à la ligne horizontale centrale qui amènent leurs extrémités avales à être légèrement inclinées vers, c'est-à-dire convergentes sur, la ligne centrale axiale de la tuyère, alors que le document précédent présente des lobes ayant un angle de sortie amenant une divergence à partir de la

ligne centrale.

La raison de prévoir un mélangeur d'échappement à lobes multiples avec ce type de lobes est de minimiser le flux de sortie radial des gaz d'échappement brûlants de la turbine à partir des sommes des lobes et par là d'éviter l'aggression par les gaz brûlants des parois extérieures de la conduite d'échappement et de minimiser

les interactions avec les couches périphériques. De tel-

les agressions peuvent provoquer la surchauffe des parois

de la conduite et les interactions entre couches périphé-

riques peuvent également provoquer des bruits supplémen-

taires à cause des turbulences. Dans la suite de la des-

cription, des lobes dont les sommets ont une sortie qui s'étend parallèllement à la ligne centrale du mélangeur ou qui convergent sur elle, seront appelés "lobs à flux

sortant minimum".

Cependant, si l'on souhaite utiliser un mélan-

geur d'échappement à lobes multiples ayant des sillons avec des bords de fuite inclinés vers l'arrière, mais ayant également des lobes à flux sortant minimum, on rencontre un problème de par le fait que la forme du sommet du lobe nécessite une augmentation de la longueur

totale du mélangeur et par conséquent de son poids.

La présente invention évite ce problème en modifiant la géométrie du corps du mélangeur de façon à ce que à la fois des sillons et des lobes de flux sortant minimum avec des bords de fuite inclinés vers l'arrière puissent être utilisés sans augmentation de la

longueur du corps du mélangeur.

Selon la présente invention, un mélangeur d'é-

chappement pour moteur à turbine à gaz d'aéronef à dilu-

tion est adapté pour favoriser la combinaison du courant de gaz d'échappement de turbine avec le courant d'air de dilution avant la sortie du courant combiné résultant

par une tuyère de propulsion finale du moteur d'aéro-

nef, le mélangeur d'échappement ayant une pluralité de lobes à flux sortant minimal, défihis comme ci-dessus,

2-5 avec un sillon défini entre chaque paire de lobes adja-

cents, et au moins quelques-uns des sillons ayant des

bords de fuite inclinés vers l'arrière, l'angle d'incli-

naison des bords de fuite inclinés vers l'arrière va-

riant depuis zéro aux sommets radialement extérieurs des lobes jusqu'à une valeur maximale à une première distance radiale prédéterminée vers l'intérieur depuis le sommet du lobe. Dans une réalisation avantageuse, des sillons alternés selon une séquence périphérique autour 4. du mélangeur d'échappement ont des bords de fuite inclinés vers l'arrière, l'angle d'inclinaison des bords de fuite

inclinés vers l'arrière variant depuis zéro sur les som-

mets radialement extérieurs des lobes à un maximum à une deuxième distance radiale prédéterminée vers l'inté-

rieur depuis les soefets des lobes.

Les distances radiales prédéterminées mentionnées ci-dessus depuis les sommets des lobes vers l'intérieur sont de préférence sensiblement inférieures à la distance radiale totale entre les sommets des lobes et les sillons, bien que cela ne soit pas essentiel. Les variations de l'angle d'inclinaison pour les bords de fuite inclinés vers

l'avant et/ou vers l'arrière peuvent comprendre un accrois-

sement à la distance radiale prédéterminée vers l'intérieur

depuis les sommets des lobes, mais, de préférence, les va-

riations de l'angle d'inclinaison sont distribuées sur la distance radiale prédéterminée concernée vers l'intérieur des sommets des lobes de façon à obtenir une augmentation progressive de l'angle d'inclinaison. De préférence, l'angle d'inclinaison des bords de fuite inclinés vers l'avant et/ ou vers l'arrière est constant à sa valeur minimum sur les

parties des bords de fuite qui sont radialement à l'inté-

rieur des endroits o l'angle d'inclinaison maximum est atteint.

D'autres caractéristiques de l'invention apparai-

tront au cours de la description qui va suivre, donnée à

titre d'exemple non limitatif en regard des dessins ci-

joints et qui fera bien comprendre comment l'invention

peut être réalisée.

Sur les dessins: la Figure I représente une vue schématique de côté en élévation partiellement éclatée d'un turbo-réacteur à soufflante d'aéronef équipé d'un mélangeur d'échappement à lobes multiples réalisé selon la présente invention; la Figure 2 représente une vue en perspective du 5. mélangeur d'échappement à lobes multiples de la Figure 1, montrant la configuration d'ensemble des lobes et sillons; la Figure 3 est une vue composite de coupe axiale prise à travers les lignes centrales d'un lobe et

de ses sillons adjacents pour montrer des caractéristi-

ques principales de la réalisation sous la forme d'un schéma; la Figure 4 est une autre vue similaire à la Figure 3, mais illustrant une variante de réalisation de l'invention. En se référant tout d'abord à la Figure 1, un

moteur d'aéronef à turbine à gaz ou turbo-réacteur à souf-

flante 1 à taux de dilution moyen comprend: un corps de i5 moteur 3, un conduit de dilution 5 délimité par le corps

de moteur 3 et une enveloppe extérieure -compartiment-

dudit moteur 7, un court conduit 9 d'échappement de tur-

bine, un noyau central d'échappement 10, une tuyère de mé-

langeur d'échappement à lobes multiples 11, une conduite

12 de mélange d'échappement, et une tuyère finale de pro-

pulsion 13. La conduite de dilution 5 est alimentée en air

de dilution 15 depuis le compresseur de pression ou souf-

flante 17, qui alimente également le corps du moteur 3. Le

mélange du courant de dilution 15 avec le courant d'échap-

pement de turbine 19 est facilité par la tuyère de mélange

11, qui est fixée à l'arrière du corps du moteur 3 et défi-

nit les extrémités de la conduite de dilution 5 et la con-

duite d'échappement de turbine 9. Le mélange des deux cou-

rants 15 et 19 se poursuit dans la conduite de mélange 12 avant la sortie du courant combiné dans l'atmosphère par

l'intermédiaire de la tuyère de propulsion 13.

En complément des caractéristiques mentionnées ci-dessus, on remarquera que le corps du moteur 3 est supporté à l'intérieur de l'enveloppe du moteur 7 par un 6. moyen de fixation 21 à l'avant du corps 3 et par des liens de suspension 23, 25 à l'arrière de celui-ci. Des aubes directrices de sortie 27 orientent le flux de dilution 15 au moment o il entre dans la conduite de dilution 5, des revêtements acoustiques 29, 31 sont prévus à l'entrée 33 du moteur 1 et dans la conduite de dilution 5 de façon à réduire le bruit provenant de la soufflante 17. Le bruit de turbine, et le bruit dû au processus de mélange dans la conduite de mélange 12, sont atténués par un revêtement

acoustique 35 dans la conduite de mélange.

En se référant maintenant aux Figures 1 à 3 inclu-

ses, la tuyère de mélange d'échappement à lobes multiples 11 a douze bosses ou lobes 37 espacés angulairement les uns des autres selon un réseau annulaire autour de la tuyère,

des sillons 39 et 39' étant délimités entre lobes adjacents.

Les tuyères de mélange à lobes sont bien connues en général et les structures et fonctions de la tuyère 11 ne seront pas décrites en détail, sauf pour ce qui aura trait à la

présente invention.

On remarquera que chaque sillon 39 et 39' peut être considéré comme étant défini par un couple de parois latérales 41, 43 et 41', 43', se faisant mutuellement face respectivement et que les parois 41, 43 d'autres sillons 39 en séquence périphérique autour du mélangeur 11 ont des bords de fuite inclinés vers l'avant, les parois latérales 41, 43' des autres sillons 39' ayant des bords de fuite inclinés vers l'arrière. Le but des inclinaisons en avant

et en arrière des bords de fuite des sillons 39 et 39' res-

pectivement est d'initier le mélange des deux courants 15 et 19 avant qu'ils n'atteignent l'extrémité la plus en

aval du mélangeur 11.

Une autre caractéristique du mélangeur 11, visible sur les Figures 1 à 3, est qu'il possède des lobes à flux sortant minimal. Comme déjà expliqué, cette terminologie

7. 2565631

signifie que la composante radiale du flux de sortie des gaz brûlants d'échappement de la turbine est minimisée en s'assurant que les sommets des lobes 37 ont un angle de sortie par rapport à la direction axiale qui amène leurs extrémités avales à s'étendre parallèllement à la ligne centrale axiale 45 du mélangeur 11, ou qui, comme dans le cas présent, les amène à converger sur la ligne centrale. Comme indiqué sur la construction de la Figure 3,

le montage des lobes à flux sortant minimum dans un mélan-

geur dont les parois latérales des sillons ont des bords de fuite inclinés vers l'arrière aurait autrefois impliqué

que, s'il était souhaité de maintenir le même angle d'in-

clinaison que dans un mélangeur avec des lobes ayant une sortie divergente, la longueur du mélangeur aurait dû être augmentée d'une valeur L pour recevoir les lobes à flux

sortant minimum.

Dans la présente invention, cet inconvénient, as-

socié aux lobes à flux sortant minimum, est évité en chan-

geant la géométrie du corps du mélangeur de façon à ce que l'angle d'inclinaison des bords de fuite inclinés vers l'arrière des parois latérales 41', 43' n'est plus constant mais varie entre zéro aux sommets radialement extérieurs des lobes 37 jusqu'à une valeur maximale P' aux fondsradialement vers l'intérieur des sillons 39'. En particulier, dans la réalisation des Figures 1 à 3, l'angle d'inclinaison change progressivement depuis zéro aux sommets radialement vers l'extérieur des lobes jusqu'à la valeur maximale F' à une distance radiale prédéterminée R' vers l'intérieur depuis les sommets des lobes 37. Ceci donne une apparence incurvée

à la vue de côté de la partie située radialement à l'exté-

rieur 47 du bord de fuite dans la Figure 3, et une apparence rectiligne à la partie située radialement vers l'intérieur 49. 8. Comme on le verra, en particulier dans la Figure

3, une variation progressive similaire (quoique non iden-

tique) dans l'angle d'inclinaison vers l'avant depuis zéro jusqu'au maximum P va également de soi-pour les parois latérales 41 et 43 du mélangeur 11, l'angle d'inclinaison maximum étant atteint à une distance radiale R depuis les sommets des lobes 37. De cette manière, le passage entre

l'inclinaison vers l'arrière dans les sillons 39' à l'in-

clinaison vers l'avant dans les sillons 39 se fait de

façon aérodynamiquement douce.

Bien que les dimensions radiales R et R' soient présentées aussi différentes dans cette réalisation de l'invention, elles n'ont pas besoin de l'être dans toutes

les réalisations de cette invention.

Bien que les Figures 1 à 3 montrent une variation progressive des angles d'inclinaison des bords de fuite

dans le but d'éviter des coins qui pourraient être géné-

rateurs de bruit, il serait également possible, comme montré sur la Figure 4, de profiler les bords de fuite de façon à présenter une variation par pas depuis l'angle d'inclinaison de zéro aux sommets des lobes jusqu'aux angles d'inclinaison maximaux P 2 et A 3, la variation

pour les inclinaisons vers l'avant et vers l'arrière inter-

venant dans ce cas à des distances radiales R2 et R3 res-

pectivement depuis-les sommets des lobes.

On devra remarquer que le mélangeur présenté sur

les Figures 1 à 3 est conçu pour un turbo-réacteur d'aéro-

nef à soufflante avant un taux de dilution d'environ 3,0,

c'est-à-dire situé dans la gamme moyenne des taux de dilu-

tion, et, en ce qui concerne les gros turbo-réacteurs à soufflante d'aéronef à dilution élevée, est adapté pour l'utilisation dans le cas de conduites de gaz de faible

diamètre avec des buses d'échappement de faible diamètre.

Dans ce cas,des essais sur maquette des systèmes d'échap-

9. pement et de mélange similaires à celui qui est montré sur les Figures 1 à 3 mettaient en évidence une haute efficacité de mélange à l'extrémité du conduit de mélange d'échappement 12 de 75 %, avec une perte basse pression

de moins de 3 % pour la tête du courant dynamique d'échap-

pement, en évitant toute séparation du flux d'échappement de turbine ou du flux de dilution depuis les surfaces du

corps du mélangeur. Quand on eut connaissance de la tempé-

rature du courant combiné à la sortie de la tuyère de pro-

pulsion, il fut confirmé que la maquette du mélangeur fonc-

tionnait avec une grande efficacité de mélange en favorisant

de grandes composantes radiales du flux dans les deux cou-

rants. En même temps, les lobes à flux sortant minimal protégeaient les parois du conduit de mélange d'échappement de ccntacts avec des parties dirigées vers l'extérieur du courant d'échappement brûlant de la turbine en permettant à une couche d'air frais de dilution de s'écouler près des

parois de la conduite de mélange.

En liaison avec le fait que s'assurer que le flux sortant des gaz d'échappement de turbine au-delà des parties situées radialement le plus à l'extérieur des lobes n'est pas un problème, il doit être remarqué également que l'angle

d'inclinaison nul des bords de fuite, impliqué par la pré-

sente invention à et près des parties situées radialement

les plus à l'extérieur des lobes des sillons, est intéres-

sant par le fait qu'on s'assure du fonctionnement convena-

ble des caractéristiques de flux sortant minimum des lobes quand cette caractéristique est présente en relation avec

les bords de fuite inclinés vers l'arrière.

Bien que la divergence du flux d'échappement de

la turbine à l'extérieur depuis la direction axiale inter-

vienne à l'intérieur des lobes, le rôle de la caractéris-

tique de flux sortant minimal est d'aider à s'assurer que toute continuation de flux divergent après que le flux 10. quitte le lobe n'est pas nature à l'amener à attaquer les parois de la conduite de mélange, comme cela a déjà été discuté plus haut. Cependant, un jet s'écoulant à travers une tuyère entaillée tend à quitter la tuyère dans les directions qui s'éloignent de la ligne centrale de la tuyère vers la perpendiculaire au bord de fuite entaillé de la tuyère. Ainsi, un lobe avec des bords de fuite

inclinés vers l'arrière aura tendance à favoriser la con-

tinuation du fluide divergent, et la pénétration qui en résulte des couches d'air du courant de dilution protégeant les parois du conduit de mélange, malgré la présence des

caractéristiques de flux sortant minimal au sommet du lobe.

Dans les réalisations de l'invention illustrées par les Figures 1 à 4, ce problème de divergence excessive du flux d'échappement de turbine est minimisé non seulement par le

fait que, pour autant que les lobes soient concernés, seu-

lement un bord de fuite de chaque lobe est incliné vers

l'arrière (l'autre bord de fuite de chaque lobe étant in-

cliné vers l'avant), mais aussi parce que les angles nuls et faibles d'inclinaison des bords de fuite près des sommets

des lobes renforcent l'effet de contention de la caractéris-

tique de flux sortant minimal au sommet des lobes en favori-

sant la présence d'un flux davantage dirigé axialement

dans cette région.

11.

Claims

REVENDICATIONS

1. Mélangeur d'échappement pour turbo-réacteur

à soufflante à gaz dilué d'aéronef, le mélangeur d'échap-

pement étant adapté pour favoriser la combinaison du courant de gaz d'échappement de turbine avec le courant

d'air de dilution avant la sortie du courant combiné résul-

tant par une tuyère finale de propulsion du moteur d'aéro-

nef, le mélangeur d'échappement ayant une pluralité de lobes à flux sortant minimal, comme définis ci-dessus, avec un sillon défini entre chaque paire de lobes adjacents, caractérisé en ce que au moins quelques des sillons (39') ont des bords de fuite (41', 43'), inclinés vers l'arrière, l'angle d'inclinaison (M') des bords de fuite inclinés vers

l'arrière variant depuis zéro aux sommets situés radiale-

ment à l'extérieur des lobes (37) jusqu'à une valeur maxi-

male à une première distance radiale prédéterminée (R')

vers l'intérieur depuis les sommets des lobes (37).

2. Mélangeur d'échappement selon la revendication

1, caractérisé en ce que les autres sillons (39) en séquen-

ce périphérique autour du mélangeur d'échappement (11) ont des bords de fuite (41, 43) inclinés vers l'avant, les autres sillons (39') ayant des bords de fuite inclinés vers l'arrière (41', 43'), l'angle d'inclinaison (P) des bords de fuite inclinés vers l'arrière (41, 43) variant depuis zéro au sommet des lobes (37) situés radialement à l'extérieur jusqu'à un maximum à une deuxième distance

radiale prédéterminée (R) vers l'intérieur depuis les som-

mets des lobes (37).

3. Mélangeur d'échappement selon la revendication

1, caractérisé en ce que la variation de l'angle d'incli-

naison (P') des bords de fuite (41', 43') inclinés vers

l'arrière est un simple accroissement à la première dis-

tance radiale prédéterminée (R') vers l'intérieur depuis

- les sommets des lobes (37).

4. Mélangeur d'échappement selon la revendication 12. 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que la variation de l'angle d'inclinaison (3) des bords de fuite inclinés vers l'arrière (41, 43) est un simple accroissement à la seconde distance radiale prédéterminée à l'intérieur depuis les sommets des lobes (37).

5. Mélangeur d'échappement selon la revendication

1, caractérisé en ce que la variation de l'angle d'incli-

naison (l') des bords de fuite inclines vers l'arrière (41' et 43') est répartie sur la première distance radiale prédéterminée (R') vers l'intérieur depuis les sommets des lobes (37) de façon à obtenir une augmentation progressive

de l'angle d'inclinaison (ô').

6. Mélangeur d'échappement selon la revendication 2 ou la revendication 5, caractérisé en ce que la variation de l'angle d'incidence (P) des bords de fuite inclinés vers

l'avant <41, 43) est répartie sur'la deuxième distance pré-

déterminée radiale (R) vers l'intérieur depuis les sommets

des lobes (37) de façon à produire une augmentation progres-

sive de l'angle d'inclinaison (p).

7. Mélangeur d'échappement selon l'une quelconque

des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'angle

d'inclinaison (W, ') est constant à sa valeur maximale sur les portions des bords de fuite (41, 41', 43, 43') qui sont situés radialement vers l'intérieur des positions

o l'angle d'inclinaison maximale est atteint.