FR2972224A1 - Tuyere avec noyau aval presentant une forte courbure - Google Patents

Tuyere avec noyau aval presentant une forte courbure Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une tuyère (2) de turbomachine (1) d'axe longitudinal A dans laquelle l'air circule en fonctionnement normal de l'amont vers aval, comprenant à son extrémité aval une paroi externe (100) et un noyau (200) dont la partie amont (210) est entourée par cette paroi externe (100) et dont la partie aval (230) prolonge cette partie amont (210) en aval de cette paroi externe (100), la frontière (220) entre la partie amont (210) et la partie aval (230) étant définie par l'intersection entre le noyau (200) et la surface (S) formée des bissectrices (D) des angles aigus formés par les droites (D1) perpendiculaires à cette paroi externe (100) et passant par l'extrémité aval (105) de cette paroi externe et les droites (D2) perpendiculaires à la face externe (206) du noyau (200) et passant par l'extrémité aval (105) de la paroi externe (100), l'espace entre la paroi externe (100) et la partie amont (210) du noyau (200) définissant une veine annulaire (300) dont l'axe est l'axe longitudinal A. La face externe (236) de la partie aval (230) du noyau (200) présente, à proximité de la frontière (220), une région de forte courbure (250) en chaque point de laquelle le rayon de courbure R dans un plan radial est inférieur à un premier rayon R1 égal à 30 fois le rayon H du noyau (200) au niveau de la frontière (220).

Description

La présente invention concerne le domaine des turbomachines, notamment des turbomachines aéronautiques telles que des moteurs d'avion. L'invention concerne plus particulièrement une tuyère de turbomachine, dans laquelle l'air circule en fonctionnement normal de l'amont vers aval, comprenant à son extrémité aval une paroi externe et un noyau dont la partie amont est entourée par cette paroi externe et dont la partie aval prolonge cette partie amont en aval de cette paroi externe, la frontière entre la partie amont et la partie aval étant définie par l'intersection entre le noyau et la surface formée des bissectrices des angles aigus formés par les droites perpendiculaires à cette paroi externe et passant par l'extrémité aval de cette paroi externe et les droites perpendiculaires à la face externe de ce noyau et passant par l'extrémité aval de la paroi externe, l'espace entre la paroi externe et la partie amont du noyau définissant une veine annulaire dont l'axe est un axe longitudinal A. Dans la description qui suit, les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal de l'air dans la tuyère. Les termes "interne" et "externe" indiquent une partie située radialement à, ou orientée radialement vers, l'intérieur ou l'extérieur respectivement par rapport à l'axe longitudinal de la tuyère. La figure 1 montre, de façon schématique, une turbomachine (moteur d'avion) 1 en coupe longitudinale. En fonctionnement normal, l'air et les gaz circulent de l'amont vers l'aval, c'est-à-dire de la gauche vers la droite sur la figure 1. La turbomachine comporte une tuyère 2 dont l'extrémité aval comporte une paroi externe 100, et un noyau 200 (ce noyau peut également être appelé "plug"). La paroi externe 100 et le noyau 200 sont coaxiaux, leur axe longitudinal étant un axe A (dans le cas représenté l'axe A est le même que l'axe de la turbomachine. Dans certains cas l'axe A peut être incliné par rapport à l'axe de la turbomachine). La paroi externe 100 présente une extrémité aval 105. La partie amont 210 du noyau 200 est entourée par la paroi externe 100. L'espace entre cette partie amont 210 et la paroi externe 100 forme ainsi une veine annulaire 300 d'axe longitudinal A.
La partie aval 230 du noyau 200 prolonge cette partie amont 210 en aval de la paroi externe 100, c'est-à-dire que cette partie aval 230 n'est pas entourée par la paroi externe 100. La partie amont 210 et la partie aval 230 se rejoignent à une frontière 220. Le positionnement de cette frontière 220 est défini comme suit (voir figure 3) : En chaque point M de l'extrémité aval 105 de la paroi externe 100, on considère une première droite DI passant par ce point M et qui est perpendiculaire à la paroi externe 100, et une seconde droite D2 passant par ce point M et qui est perpendiculaire à la face externe 206 du noyau 200, et on définit la droite D qui est la bissectrice de l'angle aigu formé par la première droite Dl et la seconde droite D2. Cet ensemble de droites D forme une surface S, et l'intersection de cette surface S avec la face externe 206 du noyau 200 constitue la frontière 220 entre la partie amont 210 et la partie aval 230. La portion de la surface S qui s'étend entre la face externe 206 et la paroi externe 100 constitue l'orifice aval de la veine annulaire 300. La figure 3 représente la partie aval d'une tuyère 2 selon l'art antérieur, en coupe longitudinale. Dans une telle tuyère 2, la partie aval 230 du noyau 200 est conique et se rapproche de l'axe longitudinal A de la tuyère 2 de l'amont vers l'aval. En coupe longitudinale, la face externe 236 de cette partie aval 230 forme donc deux segments qui sont tels que les droites qui les prolongent se croisent sur l'axe longitudinal A. Pour raisons de symétrie, seule la moitié de la tuyère au dessus de l'axe longitudinal A est représentée.
L'extrémité aval 239 du noyau 200 est sensiblement hémisphérique, c'est-à-dire que la paroi latérale du cône formé par la partie aval 230 se recourbe au niveau du sommet de ce cône (extrémité aval) pour former une portion de sphère. Alternativement, le sommet de ce cône peut être tronqué à son extrémité, ou prolongé par une portion cylindrique s'étendant selon l'axe longitudinal A. Dans tous les cas, le cône formé par la partie aval 230 du noyau 200 possède un demi-angle au sommet 13 qui est faible. En effet, la face externe du noyau 200 doit présenter, au niveau de l'orifice aval de la veine annulaire, une pente par rapport à l'axe longitudinal A qui s'écarte au plus d'environ 100 de la pente par rapport à cet axe A de la paroi externe 100. Si la pente de la face externe du noyau 200 est trop supérieure à la pente de la paroi externe 100, la veine annulaire présente un orifice aval qui est trop divergent (la veine annulaire s'évase au niveau de sa section de sortie), et cela est préjudiciable d'un point de vue aérodynamique. Le demi-angle au sommet 13, qui est directement lié à la pente de la face externe du noyau 200 est donc nécessairement faible, en pratique inférieur à 210. Une telle géométrie permet de minimiser les perturbations aérodynamiques causées par le noyau 200, et les coûts de fabrication de la tuyère 2. Cependant, le noyau 200 est alors d'une longueur plus 10 importante, et est donc plus lourd, ce qui est préjudiciable. Pour pallier à cet inconvénient et gagner en masse, une solution utilisée dans l'art antérieur consiste à tronquer la partie aval 230 du noyau 200 environ à mi-longueur, au niveau du trait en pointillé sur la figure 3 qui se situe donc à mi-distance entre l'orifice aval de la veine annulaire 15 300 et l'extrémité aval 239 du noyau 200. Cependant, la large extrémité aval du noyau 200 résultant de cette troncature entraîne une pénalité de performances aérodynamiques qui contrebalance le gain en masse. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer une tuyère qui soit moins lourde que les 20 tuyères existantes, tout en conservant ses performances aérodynamiques. Ce but est atteint grâce au fait que la face externe de la partie aval du noyau présente, à proximité de la frontière, une région de forte courbure en chaque point de laquelle le rayon de courbure dans un plan radial est inférieur à un premier rayon R1 égal à 30 fois le rayon H du 25 noyau au niveau de la frontière. Grâce à ces dispositions, on obtient un gain de masse pour la tuyère par rapport aux tuyères existantes, et on obtient des performances aérodynamiques de la tuyère au moins égales à celles des tuyères existantes. 30 Avantageusement la partie aval du noyau présente, entre la frontière et la région de forte courbure, une région de faible courbure en chaque point de laquelle le rayon de courbure dans un plan radial est supérieur à un deuxième rayon R2 égal à 10 fois le premier rayon Ri. Ainsi, la stabilité de l'écoulement est améliorée, et donc la 35 consommation en carburant est réduite.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 montre, de façon schématique, un turboréacteur en coupe longitudinale, la figure 2 montre la partie aval d'une tuyère selon l'invention, la figure 3 montre la partie aval d'une tuyère selon l'art antérieur. La figure 2 montre la partie aval d'une tuyère 1 selon l'invention, 10 s'étendant selon un axe longitudinal A. Pour raisons de symétrie, seule la moitié de la tuyère 1 au dessus de l'axe longitudinal A est représentée. Au niveau de l'orifice aval de la veine annulaire 300, c'est-à-dire au niveau de la frontière 220, la paroi externe 100 de la tuyère, et la face externe 206 du noyau 200 font entre elles un angle faible, qui est au plus 15 de l'ordre de 10°. Immédiatement en aval de la frontière 220 se situe la partie aval 230 du noyau 200. Selon l'invention, la face externe 236 de cette partie aval 230 du noyau 200 présente dans un plan radial, à proximité de la frontière 220, une région de forte courbure 250. 20 L'expression "à proximité de" signifie que cette région de forte courbure 250 se situe dans le premier tiers de la longueur totale de la partie aval 230 du noyau 200, c'est-à-dire dans les 33% les plus en amont de cette partie aval 230, y compris que cette région démarre à la frontière 220. 25 Par "forte courbure", on entend une courbure dont le rayon de courbure est inférieur à un premier rayon RI égal à 30 fois le rayon H du noyau 200 au niveau de la frontière 220. Ce rayon de courbure est défini dans un plan radial, c'est-à-dire un plan contenant l'axe longitudinal A. Ce rayon de courbure de la face externe 236 est ainsi défini, en un point P de 30 la face externe 236, comme étant le rayon R d'un cercle contenu dans ce plan radial, passant par ce point P, et venant épouser la face externe 236 au plus près. Ce rayon R est donné par la formule : où y(x) est l'équation de la courbe formée par l'intersection de la face externe et de ce plan radial, est la dérivée première de y par rapport à x, et '? est la dérivée seconde de y par rapport à x. Dans le cas présent, ce plan (x,y) est un plan radial contenant l'axe 5 longitudinal A. En figure 2, il s'agit du plan de la feuille. La frontière 220 forme un cercle centré sur l'axe longitudinal A, et qui s'étend dans un plan perpendiculaire à cet axe (plan transversal). Comme représenté sur la figure 2, le rayon H est le rayon de ce cercle formé par la frontière 220 dans ce plan transversal. Le rayon de courbure 10 R en un point P de la région de forte courbure 250 est représenté sur la figure 2. Ainsi, en tout point P de la région de forte courbure 250 de la face externe 236 de la partie aval du noyau 200, le rayon de courbure R est inférieur au premier rayon R1. 15 L'évasement en sortie de la veine annulaire 300 à cause de la forte courbure en direction de l'axe longitudinal A au niveau de la région de forte courbure 250 entraîne un ralentissement de l'air à ce niveau, et donc une recompression de l'air. Des études numériques effectuées par les inventeurs ont montré, de 20 façon surprenante, que cette recompression n'entraînait pas de décollement préjudiciable de la couche limite au niveau de cette région de forte courbure 250. Au contraire, on obtient, avec un noyau selon l'invention, une réduction de 0,3% de la consommation spécifique en carburant de la turbomachine munie d'une telle tuyère selon l'invention. 25 Avantageusement, le rayon de courbure R en chaque point de la région de forte courbure 250 est inférieur à la moitié du premier rayon R1. La masse de la turbomachine munie d'une telle tuyère est alors réduite davantage, ce qui est avantageux. La région de forte courbure 250 peut démarrer dès la frontière 220. 30 Cependant, il existe alors une discontinuité importante de courbure dans le plan radial au niveau de la frontière 220, puisque la courbure exactement sur la frontière 220 est faible ou nulle (surface rectiligne dans un plan radial). Il est préférable, d'un point de vue aérodynamique (stabilité de 35 l'écoulement) et donc de la consommation en carburant, que la transition
de la courbure faible ou nulle sur la frontière 220 à la courbure forte dans la région de forte courbure 250 s'effectue progressivement. Ainsi, il est avantageux que la face externe 236 présente, entre la frontière 220 et la région de forte courbure 250, une première région de faible courbure 240 en chaque point de laquelle le rayon de courbure dans un plan radial est supérieur à un deuxième rayon R2 égal à 10 fois le premier rayon Ri. Par exemple, cette première région de faible courbure 240 forme la totalité de la face externe 236 située entre la frontière 220 et la région de 10 forte courbure 250. Les essais effectués par les inventeurs ont montré qu'il est avantageux que cette première région de faible courbure 240 soit de longueur supérieure à 1 cm, la longueur étant mesurée le long de la face externe 236. 15 En aval de la région de forte courbure 250, le noyau 200 présente une seconde région de faible courbure 260, dans laquelle tout rayon de courbure (dans un plan radial) est supérieur au premier rayon R1. Cette faible courbure contribue à éviter qu'il se produise un décollement de la couche limite sur la face externe 236. 20 Avantageusement, la face externe 236 présente, en aval de la région de forte courbure 250, une seconde région de faible courbure 260 en chaque point de laquelle le rayon de courbure dans un plan radial est supérieur à un deuxième rayon R2 égal à 10 fois le premier rayon RI. Cette seconde région de faible courbure 260 commence 25 immédiatement en aval de la région de forte courbure 250. Par exemple, cette seconde région de faible courbure 260 est une ligne droite, c'est-à-dire que la face externe 236 est, dans cette région de faible courbure 260, conique. Par exemple, cette seconde région de faible courbure 260 forme la 30 totalité de la face externe 236 située en aval de la région de forte courbure 250, L'extrémité aval 239 du noyau 200 est tronquée, comme représenté sur la figure 2. Alternativement, cette extrémité aval 239 est sensiblement 35 hémisphérique, ou prolongée par une partie cylindrique.
Dans tous les cas, selon l'invention, on obtient une réduction de longueur selon l'axe longitudinal A de la partie aval 230 du noyau 200 d'au moins 20% par rapport à un noyau d'une tuyère selon l'ait antérieur.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS1. Tuyère (2) de turbomachine (1) dans laquelle l'air circule en fonctionnement normal de l'amont vers aval, comprenant à son extrémité aval une paroi externe (100) et un noyau (200) dont la partie amont (210) est entourée par ladite paroi externe (100) et dont la partie aval (230) prolonge cette partie amont (210) en aval de ladite paroi externe (100), la frontière (220) entre ladite partie amont (210) et ladite partie aval (230) étant définie par l'intersection entre le noyau (200) et la surface (S) formée des bissectrices (D) des angles aigus formés par les droites (Dl) perpendiculaires à cette paroi externe (100) et passant par l'extrémité aval (105) de cette paroi externe et les droites (D2) perpendiculaires à la face externe (206) dudit noyau (200) et passant par l'extrémité aval (105) de ladite paroi externe (100), l'espace entre ladite paroi externe (100) et ladite partie amont (210) du noyau (200) définissant une veine annulaire (300) dont l'axe est un axe longitudinal A, ladite tuyère (2) étant caractérisée en ce que la face externe (236) de ladite partie aval (230) du noyau (200) présente, à proximité de ladite frontière (220), une région de forte courbure (250) en chaque point de laquelle le rayon de courbure R dans un plan radial est inférieur à un premier rayon RI égal à 30 fois le rayon H dudit noyau (200) au niveau de ladite frontière (220).
  2. 2. Tuyère (2) selon la revendication 1 caractérisée en ce que, en chaque point de ladite région de forte courbure (250), le rayon de courbure R est inférieur à la moitié dudit premier rayon R1.
  3. 3. Tuyère (2) selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que la face externe (236) de ladite partie aval (230) du noyau (200) présente, entre ladite frontière (220) et ladite région de forte courbure (250), une première région de faible courbure (240) en chaque point de laquelle le rayon de courbure R dans un plan radial est supérieur à un deuxième rayon R2 égal à 10 fois ledit premier rayon RI.
  4. 4. Tuyère (2) selon la revendication 3 caractérisée en ce que ladite première région de faible courbure (240) a une longueur supérieure à 1 cm.
  5. 5. Tuyère (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que la face externe (236) de ladite partie aval (230) du noyau (200) présente, en aval de ladite région de forte courbure (250),une seconde région de faible courbure (260) en chaque point de laquelle le rayon de courbure R dans un plan radial est supérieur à un deuxième rayon R2 égal à 10 fois ledit premier rayon RI.
  6. 6. Tuyère (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que l'extrémité aval (239) dudit noyau (200) est tronquée.
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