FR2902468A1 - Melangeur a lobes munis de motifs pour tuyere a flux confluents de turbomachine - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un mélangeur de turbomachine à double flux, comportant un organe cylindrique ayant à son extrémité aval une partie sinusoïdale définissant des lobes intérieurs (26) et des lobes extérieurs (28) répartis sur la circonférence, les lobes extérieurs (28) comportant chacun une paire de parois radiales (34) planes reliées entre elles par un dôme curviligne extérieur (36), les lobes intérieurs (26) comportant chacun une paire de parois radiales (30) planes reliées entre elles par un dôme curviligne intérieur (32), les parois (34) des lobes extérieurs étant disposées dans le prolongement radial des parois (30) des lobes intérieurs, les lobes extérieurs (28) et intérieurs (26) présentant, à une extrémité aval, au moins un motif (38) s'étendant circonférentiellement dans le flux extérieur et au moins un motif (40) s'étendant circonférentiellement dans le flux intérieur.
Description
Titre de l'invention Mélangeur à lobes munis de motifs pour tuyère à flux
confluents de turbomachine Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des mélangeurs destinés au mélange de flux gazeux concentriques d'une turbomachine à double flux. Elle vise plus particulièrement un mélangeur de type marguerite pour tuyère à flux confluents.
La pollution sonore est devenue aujourd'hui l'un des sujets de préoccupation pour les motoristes qui sont de plus en plus confrontés à la nuisance acoustique de leurs turbomachines. Les sources de bruit d'une turbomachine sont nombreuses mais il a été constaté que le bruit de jet en sortie de tuyère est le bruit prédominant lors de la phase de décollage d'un avion. Les autorités de certification étant de plus en plus exigeantes face aux émissions acoustiques des turbomachines, des efforts ont été demandés aux motoristes pour réduire le bruit de leurs turbomachines, et notamment le bruit de jet en sortie de tuyère. Typiquement, une tuyère à flux confluents de turbomachine se compose d'un capot primaire centré sur l'axe longitudinal de la turbomachine, d'un capot secondaire disposé concentriquement autour du capot primaire de façon à définir un premier canal annulaire pour l'écoulement d'un flux extérieur (ou flux froid), et d'un corps central disposé concentriquement à l'intérieur du capot primaire de façon à définir un second canal annulaire pour l'écoulement d'un flux intérieur (ou flux chaud), le capot secondaire s'étendant au-delà du capot primaire. Généralement, une tuyère à flux confluents comporte en outre un mélangeur qui est monté à l'extrémité aval du capot primaire. Un tel mélangeur est destiné à réduire le bruit de jet en sortie de la tuyère en forçant le mélange entre le flux froid et le flux chaud avant leur éjection. Il est en effet bien connu que des gains acoustiques sont obtenus en augmentant le mélange entre le flux froid et le flux chaud issus de la turbomachine. Parmi les mélangeurs pour tuyère à flux confluents, on connaît en particulier le mélangeur de type marguerite qui se présente sous la forme d'une partie sensiblement sinusoïdale définissant des lobes intérieurs et des lobes extérieurs répartis sur toute la circonférence du capot primaire de la tuyère. On se réfèrera par exemple aux brevets US 4,077,206 et US 4,117,671. Avec un mélangeur de type marguerite, les lobes intérieurs forment des goulottes guidant radialement le flux froid vers le second canal dans lequel circule le flux chaud, et les lobes extérieurs forment d'autres goulottes guidant radialement le flux chaud vers le premier canal dans lequel s'écoule le flux froid. Ainsi, à la sortie du mélangeur, le flux froid et le flux chaud se mélangent par cisaillement selon une direction qui est essentiellement radiale. Ce mélange permet de générer des tourbillons dont l'axe de rotation est globalement axial et dont l'intensité dépend principalement des conditions d'éjection des flux (taux de dilution de la turbomachine, cisaillement entre les flux froid et chaud) et des conditions d'alimentation du fond des lobes du mélangeur.
Or, pour des conditions d'éjection des flux et d'alimentation du fond des lobes qui ne sont pas optimisées, l'intensité des tourbillons générés par un mélangeur de type marguerite n'est pas suffisante pour obtenir un mélange efficace entre le flux froid et le flux chaud, ce qui limite la réduction des niveaux de bruit de jet de la tuyère obtenue lors de la phase de décollage de l'avion.
Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un mélangeur de type marguerite permettant d'améliorer le mélange entre le flux froid et le flux chaud afin de réduire les nuisances acoustiques de la turbomachine. Ce but est atteint grâce à un mélangeur destiné au mélange de flux gazeux concentriques intérieur et extérieur dans une turbomachine à double flux, le mélangeur comportant un organe sensiblement cylindrique ayant à son extrémité aval une partie sensiblement sinusoïdale définissant des lobes intérieurs et des lobes extérieurs répartis sur la circonférence, les lobes extérieurs comportant chacun une paire de parois radiales sensiblement planes reliées entre elles par un dôme curviligne extérieur de façon à former une goulotte extérieure guidant radialement le flux gazeux intérieur vers l'extérieur, les lobes intérieurs comportant chacun une paire de parois radiales sensiblement planes reliées entre elles par un dôme curviligne intérieur de façon à former une goulotte intérieure guidant radialement le flux gazeux extérieur vers l'intérieur, les parois des lobes extérieurs étant disposées dans le prolongement radial des parois des lobes intérieurs, et dans lequel, conformément à l'invention, les lobes extérieurs et les lobes intérieurs présentent, à une extrémité aval, au moins un motif s'étendant circonférentiellement dans le flux extérieur et au moins un motif s'étendant circonférentiellement dans le flux intérieur. La présence de motifs s'étendant circonférentiellement à la fois dans le flux intérieur et dans le flux extérieur permet de créer un mélange entre ces flux selon une direction sensiblement circonférentielle. Créer un tel mélange azimutal permet de renforcer les caractéristiques aérodynamiques des tourbillons générés par le cisaillement radial entre les flux et ainsi de réduire significativement les niveaux de bruit de jet de la tuyère quelles que soient les conditions d'éjection des flux et d'alimentation du fond des lobes. Selon une disposition avantageuse de l'invention, les parois radiales des lobes intérieurs présentent chacune, à une extrémité aval, au moins un motif s'étendant circonférentiellement dans le flux intérieur, et les parois radiales des lobes extérieurs présentent chacune, à une extrémité aval, au moins un motif s'étendant circonférentiellement dans le flux extérieur. Alternativement, les parois radiales des lobes intérieurs peuvent présenter chacune, à une extrémité aval, au moins un motif s'étendant circonférentiellement dans le flux extérieur, et les parois radiales des lobes extérieurs peuvent présenter chacune, à une extrémité aval, au moins un motif s'étendant circonférentiellement dans le flux intérieur. Les motifs peuvent être situés chacun dans un plan radial incliné d'un angle par rapport à une direction longitudinale. Dans ce cas, l'angle que forme le plan radial des motifs avec la direction longitudinale est de préférence supérieur à 0 et inférieur ou égal à 45 . Les motifs peuvent avoir une forme sensiblement triangulaire et chaque lobe peut être symétrique par rapport à un plan radial médian au lobe concerné. L'invention a également pour objet une tuyère à flux confluents 35 de turbomachine comportant un mélangeur tel que défini précédemment.
L'invention a encore pour objet une turbomachine comportant une tuyère à flux confluents équipée d'un mélangeur tel que défini précédemment.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en perspective et en écorché d'une tuyère à flux confluents équipée d'un mélangeur selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe de la figure 1 selon un plan radial perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tuyère ; - la figure 3 est une loupe du mélangeur des figures 1 et 2 ; - la figure 4 est une vue agrandie de lobes du mélangeur selon la vue en coupe de la figure 2 ; et - la figure 5 est une vue partielle d'une variante de réalisation du mélangeur selon l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation La figure 1 représente schématiquement en perspective et en écorché une tuyère 10 à flux confluents de turbomachine à double flux. La tuyère 10, de forme axisymétrique par rapport à son axe longitudinal X-X, est typiquement formée d'un capot primaire 12, d'un capot secondaire 14 et d'un corps central 16 qui sont centrés sur l'axe longitudinal X-X de la tuyère. Le capot primaire 12, de forme sensiblement cylindrique, s'étend selon l'axe longitudinal X-X de la tuyère. Le corps central 16 est disposé concentriquement à l'intérieur du capot primaire 12 et se termine par une partie sensiblement conique. Le capot secondaire 14, également de forme sensiblement cylindrique, entoure le capot primaire 12 tout en lui étant concentrique et s'étend également selon l'axe longitudinal X-X de la tuyère. Le capot secondaire 14 s'étend longitudinalement vers l'aval au-delà du capot primaire 12.
On notera que, sur l'exemple de réalisation de la figure 1, le corps central 16 de la tuyère 10 est de type externe, c'est à dire que le corps central s'étend longitudinalement au-delà du bord de fuite du capot primaire 12.
Toutefois, l'invention peut également s'appliquer à une tuyère à flux confluents de type interne dans laquelle le bord de fuite du capot primaire s'étend longitudinalement au-delà du corps central de façon à recouvrir complètement ce dernier. Dans la description qui suit, les termes intérieur et extérieur désignent un élément du mélangeur ou de la tuyère respectivement proche ou éloignée de l'axe longitudinal X-X de la tuyère. Comme représenté sur la figure 2, l'assemblage concentrique des éléments de la tuyère 10 permet de définir, d'une part entre les capots primaire 12 et secondaire 14, un premier canal annulaire 18 pour l'écoulement d'un flux gazeux extérieur issu de la turbomachine et appelé flux secondaire ou flux froid, et d'autre part, entre le capot primaire 12 et le corps central 16, un second canal annulaire 20 pour l'écoulement d'un flux gazeux intérieur issu de la turbomachine et appelé flux primaire ou flux chaud.
Les flux primaire et secondaire s'écoulant dans ces deux canaux annulaires 18, 20 se mélangent entre eux au niveau d'un mélangeur 22 fixé à l'extrémité aval du capot primaire 12. Le mélangeur 22 selon l'invention est du type marguerite. Il comporte un organe 24 sensiblement cylindrique ayant à son extrémité aval une partie sensiblement sinusoïdale définissant des lobes intérieurs 26 et des lobes extérieurs 28. Les lobes intérieurs 26 et des lobes extérieurs 28 du mélangeur sont disposés en alternance les uns par rapport aux autres et peuvent être répartis de façon régulière sur toute la circonférence de l'organe cylindrique 24. Comme représenté sur la figure 2, les lobes intérieurs 26 font saillies radialement vers l'intérieur du capot primaire 12, c'est-à-dire qu'ils pénètrent dans le second canal 20 d'écoulement du flux chaud, tandis que les lobes extérieurs 28 font saillies radialement vers l'extérieur du capot primaire 12, c'est-à-dire qu'ils pénètrent dans le premier canal 18 d'écoulement du flux froid.
Par ailleurs, comme représenté sur la figure 1, les lobes 26, 28 du mélangeur s'étendent tous sur une même distance longitudinale. Toutefois, l'invention s'applique également aux mélangeurs dont les lobes ont des longueurs différentes (dans le sens longitudinal).
De façon plus précise, les lobes intérieurs 26 sont formés chacun par une paire de parois 30 qui sont sensiblement planes, s'étendent selon une direction radiale, sont espacées l'une de l'autre dans le sens circonférentiel et sont reliées entre elles vers l'intérieur par un dôme (ou arche) curviligne intérieur 32.
De la même manière, les lobes extérieurs 28 sont formés chacun par une paire de parois 34 qui sont sensiblement planes, s'étendent selon une direction sensiblement radiale, sont espacées l'une de l'autre dans le sens circonférentiel et sont reliées entre elles vers l'extérieur par un dôme curviligne intérieur 36.
Il est à noter que, comme représenté sur les figures 3 et 4, les parois radiales 34 d'un même lobe extérieur 28 sont disposées dans le prolongement radial des parois radiales 30 des deux lobes intérieurs 26 qui lui sont directement adjacents (et réciproquement). En outre, les parois radiales 30 des lobes intérieurs 26 convergent toutes vers l'axe longitudinal X-X de la tuyère, tandis que les deux parois radiales 34 d'un même lobe extérieur 28 sont sensiblement parallèles entre elles. Ainsi, les lobes intérieurs 26 forment chacun une goulotte (ou conduit) intérieure permettant de guider vers l'intérieur le flux froid s'écoulant dans le premier canal 18, c'est-à-dire que le flux froid empruntant de telles goulottes intérieures est dirigé radialement vers l'axe longitudinal X-X de la tuyère pour se mélanger au flux chaud circulant dans le second canal 20. De même, les lobes extérieurs 28 forment chacun une goulotte (ou conduit) extérieure par laquelle le flux chaud s'écoulant dans le second canal 20 est guidé radialement vers l'extérieur, c'est-à-dire que le flux chaud empruntant de telles goulottes extérieures est dirigé en direction du premier canal 18 pour se mélanger au flux froid y circulant. De la sorte, un mélange s'effectue entre le flux froid s'écoulant dans le premier canal 18 et le flux chaud s'écoulant dans le second canal 20. Ce mélange, qui a notamment pour but de réduire le bruit de jet de la tuyère, s'effectue selon une direction globalement radiale. Ceci est dû à la géométrie particulière du mélangeur avec ses lobes qui pénètrent radialement dans les canaux d'écoulements respectifs des flux froid et chaud.
Selon l'invention, les lobes intérieurs 26 et les lobes intérieurs 28 présentent, à une extrémité aval, au moins un motif 38 s'étendant circonférentiellement dans le flux froid et au moins un motif 40 s'étendant circonférentiellement dans le flux chaud. Sur le mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 4, les deux parois radiales 30 d'un même lobe intérieur 26 présentent ainsi chacune, à une extrémité aval, un motif 40 s'étendant selon une direction essentiellement circonférentielle dans le flux chaud (c'est-à-dire dans le second canal annulaire 20 de la tuyère). En outre, les deux parois radiales 34 d'un même lobe extérieur 28 présentent chacune à leur extrémité aval un motif 38 s'étendant selon une direction essentiellement circonférentielle dans le flux froid (c'est-à-dire dans le premier canal annulaire 18 de la tuyère). Comme représenté sur ces figures, de tels motifs 38, 40 peuvent avoir un profil géométrique triangulaire. Bien entendu, toute autre forme est envisageable (trapézoïdale, circulaire, etc.). Par ailleurs, comme plus spécifiquement illustré par la figure 4, les motifs 40 montés à l'extrémité aval des parois radiales 30 des lobes intérieurs sont situés dans un plan radial qui est incliné d'un angle 01 par rapport à une direction longitudinale D (une telle direction D est parallèle à l'axe longitudinal X-X de la tuyère). Cet angle 01 est de préférence supérieur à 0 et inférieur ou égal à 45 . Quant aux motifs 38 des lobes extérieurs 28, ils sont situés dans un plan radial qui est également incliné d'un angle 02 par rapport à la même direction longitudinale D.
De préférence, cet angle 02 est également supérieur à 0 et inférieur ou égal à 45 et il peut être égal (en valeur absolue) à l'angle 01 des motifs 40 des lobes extérieurs 28. Comme représenté à la figure 3, chaque lobe 26, 28 du mélangeur 22 peut être symétrique par rapport à un plan radial médian au lobe concerné (une disposition dissymétrique est toutefois envisageable).
Ainsi, sur la figure 3, chaque lobe intérieur 26 est symétrique par rapport à un plan radial passant par l'axe longitudinal X-X de la tuyère et S1 médian au lobe. Il en résulte que les motifs 40 des parois radiales 30 d'un même lobe intérieur 26 sont disposés de façon symétrique par rapport à ce plan radial S1. De même, chaque lobe extérieur 28 est symétrique par rapport à un plan radial passant par l'axe longitudinal XX de la tuyère et S2 médian au lobe (avec les motifs 38 des parois radiales 34 d'un même lobe intérieur qui sont disposés de façon symétrique par rapport à ce plan radial S2). La présence de tels motifs 38, 40 à l'extrémité aval des lobes extérieurs 28 et intérieurs 26 du mélangeur 22 permet de créer un mélange selon une direction sensiblement circonférentielle entre le flux chaud et le flux froid.
En effet, comme représenté sur la figure 2, la présence de motifs 38 à l'extrémité aval des parois radiales 34 des lobes extérieurs 28 génère un écoulement selon une direction circonférentielle du flux chaud circulant dans les goulottes extérieures définies par ces lobes. Cet écoulement circonférentiel (ou azimutal) qui est schématisé par les flèches F1 sur cette figure 2 est dirigé, pour chaque lobe extérieur, vers les deux lobes extérieurs qui lui sont adjacents. De même, la présence de motifs 40 à l'extrémité aval des parois radiales 30 des lobes intérieurs 26 génère un écoulement selon une direction circonférentielle du flux froid circulant dans les goulottes intérieures définies par ces lobes. Cet écoulement circonférentiel (ou azimutal) est schématisé par les flèches F2. Il est de sens opposé à celui généré par les motifs 38 des lobes extérieurs 28, c'est à dire qu'il est dirigé, pour chaque lobe intérieur, vers les deux lobes intérieurs qui lui sont adjacents.
Bien entendu, ces écoulements azimutaux F1 et F2 s'ajoutent aux écoulements principaux des flux gazeux circulant radialement dans les goulottes extérieures et intérieures définies respectivement par les lobes extérieurs et intérieurs du mélangeur. Ainsi, le flux froid s'écoulant dans le premier canal 18 de la tuyère est guidé principalement selon une direction radiale vers l'intérieur lorsqu'il emprunte les lobes intérieurs 26 et, à l'extrémité aval de ces lobes, une partie de ce flux est également dirigé selon une direction circonférentielle par les motifs 40 dans le flux chaud. Selon le même principe, le flux chaud s'écoulant dans le second canal 20 de la tuyère est guidé principalement selon une direction radiale vers l'extérieur lorsqu'il emprunte les lobes extérieurs 28 et, à l'extrémité aval de ces lobes, une partie de ce flux est aussi dirigé selon une direction circonférentielle par les motifs 38 dans le flux froid. Il en résulte qu'au cisaillement principal flux froid / flux chaud s'effectuant selon une direction globalement radiale, s'ajoute un cisaillement secondaire entre ces flux selon une direction circonférentielle qui permet de renforcer le mélange entre les flux et, par conséquent, d'améliorer l'efficacité acoustique du dispositif. On notera que plus les angles 01, 02 que forment respectivement les motifs 40, 38 des lobes avec la direction longitudinale D sont élevés, plus le mélange circonférentiel entre le flux froid et le flux chaud est important. La figure 5 représente une variante de réalisation de l'invention dans laquelle les parois radiales 30 des lobes intérieurs 26 présentent chacune, à une extrémité aval, au moins un motif 38' s'étendant circonférentiellement dans le flux extérieur, et les parois radiales 34 des lobes extérieurs 28 présentent chacune, à une extrémité aval, au moins un motif 40' s'étendant circonférentiellement dans le flux intérieur. Les caractéristiques et les effets obtenus par ces motifs 38', 40' sont similaires à ceux décrits précédemment en liaison avec le mode de réalisation des figures 1 à 4.
Claims (9)
1. Mélangeur (22) destiné au mélange de flux gazeux concentriques intérieur et extérieur dans une turbomachine à double flux, le mélangeur comportant un organe (24) sensiblement cylindrique ayant à son extrémité aval une partie sensiblement sinusoïdale définissant des lobes intérieurs (26) et des lobes extérieurs (28) répartis sur la circonférence, les lobes extérieurs (28) comportant chacun une paire de parois radiales (34) sensiblement planes reliées entre elles par un dôme curviligne extérieur (36) de façon à former une goulotte extérieure guidant radialement le flux gazeux intérieur vers l'extérieur, les lobes intérieurs (26) comportant chacun une paire de parois radiales (30) sensiblement planes reliées entre elles par un dôme curviligne intérieur (32) de façon à former une goulotte intérieure guidant radialement le flux gazeux extérieur vers l'intérieur, les parois (34) des lobes extérieurs étant disposées dans le prolongement radial des parois (30) des lobes intérieurs, caractérisé en ce que les lobes extérieurs (28) et les lobes intérieurs (26) présentent, à une extrémité aval, au moins un motif (38, 38') s'étendant circonférentiellement dans le flux extérieur et au moins un motif (40, 40') s'étendant circonférentiellement dans le flux intérieur.
2. Mélangeur selon la revendication 1, dans lequel les parois radiales (30) des lobes intérieurs (26) présentent chacune, à une extrémité aval, au moins un motif (40) s'étendant circonférentiellement dans le flux intérieur, et les parois radiales (34) des lobes extérieurs (28) présentent chacune, à une extrémité aval, au moins un motif (38) s'étendant circonférentiellement dans le flux extérieur.
3. Mélangeur selon la revendication 1, dans lequel les parois radiales (30) des lobes intérieurs (26) présentent chacune, à une extrémité aval, au moins un motif (38') s'étendant circonférentiellement dans le flux extérieur, et les parois radiales (34) des lobes extérieurs (28) présentent chacune, à une extrémité aval, au moins un motif (40') s'étendant circonférentiellement dans le flux intérieur.35
4. Mélangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les motifs (38, 38', 40, 40') sont situés chacun dans un plan radial incliné d'un angle (01, 02) par rapport à une direction longitudinale (D).
5. Mélangeur selon la revendication 4, dans lequel l'angle (01, 02) que forme le plan radial des motifs (38, 38', 40, 40') avec la direction longitudinale (D) est supérieur à 0 et inférieur ou égal à 45 . 10
6. Mélangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les motifs (38, 40) ont une forme sensiblement triangulaire.
7. Mélangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle chaque lobe (26, 28) est symétrique par rapport à un plan 15 radial (Si, S2) médian au lobe concerné.
8. Tuyère à flux confluents de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte un mélangeur (22) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
9. Turbomachine comportant une tuyère à flux confluents équipée d'un mélangeur (22) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 20
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