FR2979673A1 - Procede de melange de flux dans un turboreacteur double flux et sortie moteur de mise en oeuvre - Google Patents

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Abstract

L'invention vise à fournir une ventilation suffisante de la zone moteur sans provoquer de remontée de la pression statique dans la zone de sortie du conduit de ventilation. Pour ce faire, l'invention prévoit une section de sortie apte à concentrer la sortie du flux de ventilation vers des zones de plus faible pression statique. Une sortie moteur de turboréacteur selon l'invention prévoit un capot moteur, qui constitue une paroi externe d'un conduit circonférentiel (C1) dans lequel circule un flux de ventilation des turbines, et un mélangeur de flux (M1). Le conduit (C1) délivre en sortie le flux de ventilation en direction du mélangeur (M1) des flux primaire et secondaire du turboréacteur. Le mélangeur (M1) présente des lobes chauds et froids (31, 32). En particulier, la sortie moteur comporte également des moyens de guidage (21, 2a) du flux de ventilation (F2) vers les lobes froids (32).

Description

PROCÉDÉ DE MELANGE DE FLUX DANS UN TURBOREACTEUR DOUBLE FLUX ET SORTIE MOTEUR DE MISE EN OEUVRE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE [0001]L'invention se rapporte à un procédé de mélange des flux d'air primaire et secondaire dans un turboréacteur d'aéronef, ainsi qu'à une sortie moteur apte à mettre en oeuvre un tel procédé. [0002] Dans les turboréacteurs à double flux mélangé, la ventilation des moteurs permet d'optimiser leur fonctionnement dans tout le domaine de vol : décollage, croisière, recherche, atterrissage, quel que soit le taux de dilution entre les flux primaire et secondaire. [0003] Les turboréacteurs à double flux sont en général équipés d'une soufflante qui assure l'essentiel (par exemple 80%) de la poussée. Ils comportent, d'amont en aval par rapport à l'écoulement de l'air, la soufflante, des étages de compresseurs, une ou des chambres de combustion, des étages de turbines de détente et deux tuyères d'éjection : une tuyère de flux primaire chaud, qui provient de la combustion, et une tuyère de flux secondaire froid, qui provient de la soufflante en périphérie annulaire du flux primaire. [0004] De manière plus précise, le flux secondaire s'écoule entre un capot moteur, qui protège l'ensemble des attelages de compression/détente, et un carénage de la nacelle qui enveloppe le moteur. Le moteur est par ailleurs fixé à la voilure ou au fuselage via un mât d'attache-moteur. [0005] Les flux primaire et secondaire peuvent rester séparés et, dans ce cas, la tuyère du flux primaire émerge hors de la nacelle autour du cône d'éjection. Cependant, les flux primaire et secondaire peuvent aussi être mélangés avant éjection optimisant la poussée globale réalisée par les flux et diminuant les bruits d'éjection. La tuyère du flux primaire est alors immergée dans la nacelle qui est de longue portée. ÉTAT DE LA TECHNIQUE [0006] Dans le cas des turboréacteurs à flux mélangés, la ventilation des turbines et des équipements environnants formant la zone moteur est en général assurée par injection d'une faible partie du flux secondaire sous ce capot. [0007] En sortie de zone moteur, ce flux de ventilation est éjecté au niveau d'une zone de confluence entre le flux primaire et le flux secondaire principal où un mélangeur favorise les échanges thermiques entre les deux flux principaux et produit les effets d'optimisation de poussée et de diminution de bruit. L'état de la technique divulgue en particulier des mélangeurs à lobes, particulièrement efficaces, comme décrit dans les documents de brevet EP 1 870 589 ou US 2010126183 déposés au nom de la demanderesse. [0008]Comme illustré en figure 1 par un schéma de vue en coupe partielle d'une extrémité de turboréacteur et en figures 2a et 2b par des vue en perspective arrière et latérale (partielle) de cette extrémité, la sortie du flux de ventilation (flèche F1) est effectuée dans un conduit annulaire Cl formé entre une virole circonférentielle V1, en bord de fuite du capot moteur K1, et un carénage interne K2 de protection des turbines Ti. [0009] La pression statique de la ventilation fournit directement la pression en sortie de la zone moteur. Plus cette pression est élevée, plus l'écope initiale de prélèvement dynamique du flux de ventilation F1 est importante pour fournir le débit d'air de ventilation suffisant dans la zone de confluence des flux Z1. La confluence est réalisée entre le flux primaire Fp - issu de la combustion des gaz et s'éjectant autour du cône de tuyère Tc - et le flux secondaire Fs provenant directement de la soufflante (non représentée) et s'écoulant entre la nacelle N1 et le capot moteur Kl. [0010]Un mélangeur circonférentiel M1 est disposé dans cette zone de confluence. Un tel mélangeur est composé de lobes chauds 31 et de lobes froids 32 alternés. Les lobes chauds 31 sont convexes et présentent une crête qui suit une pente radialement croissante d'amont en aval, alors que les lobes froids 32 sont concaves et présentent un val qui suit une pente radialement décroissante d'amont en aval. Dans ces conditions (voir en particulier la figure 1), le flux primaire Fp, globalement orientée selon une direction qui s'éloigne de l'axe longitudinal X'X du turboréacteur, est lové (intérieurement) dans les lobes chauds 31, alors que le flux secondaire Fs, globalement orienté selon une direction qui converge vers l'axe longitudinal X'X, vient s'écouler (extérieurement) le long des lobes froids 32. Les lobes forment ainsi des sections alternées de flux chaud et froid. Mais l'obstruction créée par la présence du mélangeur M1 induit des zones de forte augmentation locale de la pression statique en amont des lobes chauds 31. [0011]Et une pression élevée entraîne une taille des écopes de prélèvement plus importante et provoque alors une perte de charge dans le flux secondaire Fs. [0012] En outre, la section de sortie du conduit annulaire Cl est dimensionnée pour le cas critique de « burst duct » (« éclatement de conduit » en terminologie anglaise). Cette prise en compte implique une section de sortie sensiblement supérieure à la section nominale. Il en résulte une recirculation d'air importante dans la section de sortie du conduit annulaire de ventilation Cl.
EXPOSÉ DE L'INVENTION [0013]L'invention vise à fournir une ventilation suffisante de la zone moteur par une pression statique dans la zone de sortie du conduit de ventilation aussi faible que possible, permettant de réduire la dimension des écopes de prélèvement d'air en amont tout en conservant la section nominale du conduit de ventilation en sortie. [0014] Pour ce faire, il a été observé que la variation azimutale de la pression statique présente, dans la zone des lobes froids, des pressions statiques plus faibles. L'invention prévoit alors une section de sortie apte à concentrer la sortie du flux de ventilation vers des zones de plus faible pression statique. [0015]Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de mélange des flux d'air primaire et secondaire d'un turboréacteur d'aéronef comportant un flux d'air de ventilation de la zone moteur circulant dans un conduit après avoir été prélevé dans le flux secondaire. En sortie, le flux de ventilation est délivré en direction d'une zone de confluence où les flux primaire et secondaire sont alternativement fractionnés avec une variation azimutale et alternée de la pression statique avant d'être dynamiquement mélangés. Dans ce procédé, le flux de ventilation est dirigé vers les secteurs les plus froids de la zone de confluence des flux correspondant à des zones de plus faible pression statique. [0016]Cette solution permet de minimiser la pression statique de sortie et donc de mettre en oeuvre un prélèvement de flux secondaire minimisé, c'est-à-dire 5 des pertes de charge du turboréacteur également minimisées. [0017]Avantageusement, le guidage du flux de ventilation est choisi entre un guidage induit par une découpe évolutive du conduit de ventilation et un guidage induit par un bossage formé en sortie de ce flux. [0018] De préférence, dans le cas où le mélange entre les flux primaire et 10 secondaire est réalisé à partir d'une alternance des fractions de flux primaire et secondaire dans la zone de confluence, le guidage du flux de ventilation est effectué alternativement vers les secteurs d'écoulement des fractions de flux secondaire froid. [0019] L'invention se rapporte également à une sortie de turboréacteur 15 apte à mettre en oeuvre un tel procédé. Cette sortie comporte un capot moteur qui constitue une paroi externe d'un conduit circonférentiel dans lequel circule un flux de ventilation des turbines du turboréacteur et un mélangeur de flux. Le conduit délivre en sortie le flux de ventilation en direction du mélangeur des flux primaire et secondaire du turboréacteur. Le mélangeur présente des lobes longitudinaux 20 chauds et froids s'étendant selon des directions alternées pour conduire séparément des sections de flux secondaire froid et de flux primaire chaud. La sortie moteur comporte alors des moyens de guidage aptes à diriger le flux de ventilation vers les lobes froids du mélangeur. [0020]Selon un mode de réalisation, le capot moteur présente en 25 extrémité une collerette ayant une découpe azimutale périodique avançant vers les lobes chauds de sorte à guider le flux de ventilation vers les lobes froids du mélangeur. [0021]En particulier, les avancées ont des extrémités courbes, arrondies ou de forme sinusoïdale ou équivalente, afin de procurer une bonne tenue 30 mécanique en limitant les vibrations des avancées. [0022]Selon un autre mode de réalisation, des bossages sont formés dans la zone de sortie du flux de ventilation sur un carénage formant la paroi interne du conduit de ventilation, en regard de chaque lobe chaud du mélangeur de sorte à guider le flux de ventilation vers les lobes froids du mélangeur. PRÉSENTATION DES FIGURES [0023]D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - les figures 1, 2a et 2b, un schéma en coupe partielle d'une extrémité arrière d'un turboréacteur à mélangeur à lobes et des vues en perspective et latérale (partielle) de cette extrémité ; - les figures 3 et 4, des vues en perspective et latérale (partielle) d'une extrémité arrière de turboréacteur équipé d'un mélangeur à lobes et d'un exemple de capot moteur selon l'invention ; et - les figures 5 et 6, des vues supérieure et en coupe longitudinale d'un lobe chaud du mélangeur et de la portion de collerette correspondante en extrémité du capot moteur d'une sortie moteur selon l'invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE [0024]Dans le présent texte, le terme « axial » signifie parallèlement à l'axe longitudinal d'un turboréacteur, le terme « radial » se définissant par rapport à cet axe longitudinal. Les termes « amont » et « aval » se rapportent au sens global d'écoulement des flux d'air le long de l'axe longitudinal d'un turboréacteur double flux, depuis l'entrée dans un manchon d'air de soufflante jusqu'à leur éjection finale dans la tuyère. Sur les figures, les différents traits longitudinaux qui apparaissent sur les lobes permettent de suggérer les courbures de ces lobes par la densité de rapprochement et leur propre courbure. Par ailleurs, les expressions « lobes chauds » et lobes froids » désignent les lobes qui guident respectivement le flux primaire chaud et le flux secondaire froid. [0025] En référence aux vues en perspective et frontale (partielle) d'une extrémité arrière de turboréacteur des figures 3 et 4 équipée d'un cône de tuyère Tc, un mélangeur à lobes M1 est adapté sur le carénage interne K2 des turbines (non visibles) de ce turboréacteur. Au niveau du bord de fuite de la virole d'extrémité V1 du capot moteur 10, l'écart radial dl (figure 4) entre le carénage interne K2 et ce capot moteur 10 définit la section de sortie du conduit de ventilation C1. Ces différentes références apparaissent également sur la figure 6 qui illustre une vue en coupe longitudinale d'une sortie moteur selon l'invention. [0026]Dans l'exemple illustré, la virole V1 du capot moteur 10 est prolongée par une collerette 2. La collerette 2, le carénage interne K2 au-delà de la section de sortie du conduit Cl, et le mélangeur M1 forment la sortie moteur S1 du turboréacteur. [0027]La collerette 2 présente des avancées axiales 21 de forme globalement triangulaire, régulièrement réparties sur sa circonférence. Les sommets 2a, 2b des triangles de la collerette sont arrondis donnant à la découpe de la collerette 2 une forme globalement sinusoïdale. Les extrémités courbes permettent alors de limiter sensiblement les vibrations de la collerette. [0028] Dans l'exemple, la virole V1 du capot moteur 10 présente un bombage convexe annulaire 11. L'extrémité 2a de chaque avancée axiale 21 est disposée radialement au droit de la crête 30 d'un lobe chaud 31, de sorte que l'avancée 21 « recouvre » la naissance 3a de ce lobe chaud 31, en sortie du carénage K2. Les avancées 21 présentent en coupe longitudinale, comme cela est plus explicite sur les figures 4 et 6, un profil dans le prolongement du capot moteur 10 avec une légère inversion de courbure concave vers leurs extrémités 2a pour se rapprocher quasi-asymptotiquement des lobes chauds 31, tout en restant à une distance D1 déterminée (voir ci-dessous). [0029] Dans ces conditions, le flux de ventilation Fl - délivré en direction de la zone de confluence des flux primaire et secondaire (en particulier référence à la figure 1) - est guidé à l'extrémité du conduit Cl vers les lobes froids 32 (flèches F2). Ces lobes froids présentent radialement une courbure concave et longitudinalement des vallées 33 décroissantes d'amont en aval vers l'axe longitudinal, à l'inverse des lobes chauds. Le flux de ventilation F2 est ainsi orientée au-delà du conduit de ventilation Cl vers des zones du mélangeur M1 de plus faible pression statique, la présence du mélangeur ayant créé par son obstruction une forte variation azimutale de la pression statique. En dirigeant le flux de ventilation F2 vers les lobes froids de faible pression, la taille des écopes 2 9796 73 7 peut être diminuée tout en obtenant un même débit d'air de ventilation en sortie, ou peut être conservée pour obtenir un débit d'air de ventilation supérieur. [0030]Cette solution réduit en outre la recirculation d'air en sortie en fonctionnement nominal, tout en garantissant une section d'ouverture du conduit 5 de ventilation suffisante en cas de « burst duct ». Une recirculation d'air se produit en effet classiquement au pied des lobes chauds 31 lorsque l'air n'est pas dévié. Et cette recirculation induit une partie de la perte de charge singulière due au mélangeur. [0031]Les vues supérieure et latérale des figures 5 et 6 illustrent un 10 lobe chaud 31 entourée de deux lobes froids 32 (vus partiellement) du mélangeur , et une avancée de collerette 21 correspondante, en extrémité de virole V1 du capot moteur 10, d'un exemple de sortie moteur selon l'invention. [0032] L'avancée 21 est une languette ayant une découpe sinusoïdale. La tangente au point d'inflexion « I » de la sinusoïde forme un écart angulaire « E » 15 entre 40 et 50° avec la ligne de bord de fuite L1 de la virole V1, de préférence environ 45°. L'amplitude « A » de la sinusoïde reste inférieure à la projection de la demi-largeur 1/2 du lobe 31. La distance D1 entre l'extrémité des avancées 21 et la crête supérieure du lobe 31 qui prend naissance à l'extrémité du carénage interne K2 du conduit de ventilation C1, est déterminée en fonction d'un compromis entre 20 une optimisation des jeux de fonctionnement pour réduire les vibrations induites et les couts de fabrication de ces jeux. [0033] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. En particulier d'autres architectures peuvent être prévues pour guider le flux de ventilation vers les lobes froids, par exemple des 25 bras redresseurs disposés sur la collerette ou en amont des lobes.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de mélange des flux d'air primaire chaud (Fp) et secondaire froid (Fs) d'un turboréacteur d'aéronef comportant un flux d'air de ventilation (F1) de la zone moteur circulant dans un conduit (C1) après avoir été prélevé dans le flux secondaire (Fs), en sortie (Z2) le flux de ventilation (F1) est délivré en direction d'une zone de confluence (Z1) où les flux primaire chaud (Fp) et secondaire froid (Fs) sont fractionnés avec une variation azimutale de la pression statique avant d'être dynamiquement mélangés, ce procédé est caractérisé en ce que le flux de ventilation (F1) est dirigé vers les secteurs les plus froids (32) de la zone de confluence des flux (Z1) correspondant à des zones de plus faible pression statique.
  2. 2. Procédé de mélange des flux d'air selon la revendication 1, dans lequel le guidage du flux de ventilation (F1) est choisi entre un guidage induit par une découpe évolutive du conduit de ventilation (C1) et un guidage induit par un bossage formé en sortie de ce flux (Z2).
  3. 3. Procédé de mélange des flux d'air selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel, le mélange entre les flux primaire (Fp) et secondaire (Fs) étant réalisé à partir d'une alternance des fractions de flux primaire et secondaire dans la zone de confluence (Z1), le guidage du flux de ventilation (F1) est effectué alternativement vers les secteurs d'écoulement des fractions de flux secondaire froid (32).
  4. 4. Sortie moteur de turboréacteur apte à mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, cette sortie comportant un capot moteur (10), qui constitue une paroi externe d'un conduit circonférentiel (C1) dans lequel circule un flux de ventilation (F1) des turbines du turboréacteur, et un mélangeur de flux (M1), le conduit (C1) délivrant en sortie (Z2) le flux de ventilation (F1) en direction du mélangeur (M1) des flux primaire (Fp) et secondaire (Fs) du turboréacteur et le mélangeur (M1) présentant des lobes longitudinaux chauds et froids (31, 32) s'étendant selon des directions alternées pour conduire séparément des sections de flux secondaire froid (Fs) et de flux primaire chaud (Fp), la sortie moteur est alors caractérisée en ce qu'ellecomporte des moyens de guidage (21) aptes à diriger le flux de ventilation (F1) vers les lobes froids (32) du mélangeur (M1).
  5. 5. Sortie moteur selon la revendication précédente, dans laquelle le capot moteur (10) présente en extrémité une collerette (2) ayant une découpe azimutale périodique (21) avançant vers les lobes chauds (31) de sorte à guider le flux de ventilation (F1) vers les lobes froids (32) du mélangeur (M1).
  6. 6. Sortie moteur selon la revendication précédente, dans laquelle les avancées (21) ont des extrémités courbes (2a) afin de procurer une bonne tenue mécanique en limitant les vibrations des avancées.
  7. 7. Sortie moteur selon la revendication précédente, dans laquelle l'avancée (21) est une languette ayant une découpe sinusoïdale et une tangente au point d'inflexion (I) de la sinusoïde qui forme un angle entre 40 et 50° avec la ligne de fuite (1_1) de la virole (V1), de préférence environ 45°.
  8. 8. Sortie moteur selon la revendication précédente, dans laquelle l'amplitude (A) de la sinusoïde reste inférieure à la demi-largeur (1/2) des lobes chauds (31).
  9. 9. Sortie moteur selon l'une des revendications 4 ou 6, dans laquelle des bossages sont formés dans la zone de sortie (Z2) du flux de ventilation (F1) sur un carénage (K2) formant la paroi interne du conduit de ventilation (C1), en regard de chaque lobe chaud (31) du mélangeur (M1), de sorte à guider le flux de ventilation (F1) vers les lobes froids (32) du mélangeur (M1).
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