FR2980531A1

FR2980531A1 - Capot primaire de turboreacteur double flux comportant une couronne tournante a micro-jets

Info

Publication number: FR2980531A1
Application number: FR1158477A
Authority: FR
Inventors: Alexandre Alfred Gaston Vuillemin; Sebastien Jean-Paul Aeberli; Guillaume Bodard
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2013-03-29
Anticipated expiration: 2031-09-23
Also published as: GB201406230D0; GB2509442A; US20140245715A1; WO2013041818A1; GB2509442B; US9617954B2; FR2980531B1

Abstract

Capot primaire pour un turboréacteur double flux comportant un corps primaire générant un flux primaire (10) destiné à être éjecté par une tuyère primaire (6) et un corps secondaire générant un flux secondaire destiné à être éjecté dans une tuyère secondaire (4), ledit capot primaire (5) étant conformé pour être positionné à l'aval dudit corps primaire et délimiter, du côté interne au turboréacteur, le cheminement suivi par ledit flux primaire en aval de la tuyère primaire (6) et du côté externe, le cheminement suivi par ledit flux secondaire en aval de la tuyère secondaire (4), caractérisé en ce qu'il comporte un raccordement à un système d'alimentation en un gaz sous pression et au moins une perforation (8) destinée à l'injection de ce gaz sous pression, à travers cette perforation, dans ledit flux secondaire. Préférentiellement le capot primaire comporte une couronne (15) porteuse de perforations (8), qui est mise en rotation autour de l'axe de rotation du turboréacteur.

Description

Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et plus particulièrement celui des dispositifs de réduction du bruit émis par ces turbomachines. Les avions commerciaux sont généralement équipés de turboréacteurs à double flux, qui sont constitués d'une turbine à gaz entraînant une soufflante carénée, celle-ci étant généralement placée à l'amont du moteur. La masse d'air aspirée par le moteur est divisée en un flux primaire, qui circule dans la turbine à gaz ou corps primaire, et un flux secondaire, qui est issu de la soufflante, les deux flux étant concentriques. Le flux primaire sort de la soufflante pour passer dans le corps primaire où il est comprimé à nouveau, chauffé dans une chambre de combustion, guidé vers des étages successifs de turbines puis éjecté en un flux gazeux primaire. Le flux secondaire est comprimé par l'étage de soufflante carénée, puis éjecté directement sans avoir été chauffé. Les deux flux peuvent être éjectés séparément en deux flux concentriques ou bien mélangés dans un même canal avant éjection. Le turboréacteur est classiquement logé dans une nacelle qui est conformée de manière à rendre la traînée aérodynamique aussi faible que possible ; elle comprend une première partie, à l'amont, qui enveloppe la soufflante et une deuxième partie, à l'aval, qui forme une carène pour guider le flux secondaire. Le flux primaire est, dans sa partie aval, guidé entre un carter du moteur, dit capot primaire, et un carter conique qui referme le moteur à l'arrière et qui est généralement dénommé cône arrière. La carène de la nacelle constitue avec le capot primaire une tuyère d'éjection pour le flux secondaire, alors que le capot primaire constitue avec le cône arrière une tuyère d'éjection pour le flux primaire. La réduction du bruit causé par le jet des turboréacteurs est une préoccupation constante des avionneurs et des motoristes et différentes solutions ont été proposées dans ce but. L'un des moyens actuels mis en oeuvre est d'utiliser des chevrons qui sont installés sur la tuyère primaire du moteur. Cette technologie est actuellement employée essentiellement sur des moteurs à flux séparés. Mais, si elle est assez efficace sur le plan acoustique, elle a cependant un effet négatif sur les performances en croisière.

Une autre solution envisagée par les industriels consiste en l'implémentation de micro-jets sur les capots entourant le flux primaire et/ou le flux secondaire. Ces micro-jets sont répartis circulairement en azimut sur les capots et injectent de l'air dans le jet correspondant, suivant divers angles d'incidence et de dérapage. Cependant, les études menées sur différents dispositifs ont montré que les gains acoustiques susceptibles d'être obtenus par les systèmes de contrôle de cette nature restent limités, ce que l'on peut attribuer au manque de capacité d'action de ce mode de contrôle par jets externes dans les zones de production acoustique, en l'occurrence à l'aval des tuyères d'éjection, ainsi que sur la dynamique des structures cohérentes de l'écoulement. En effet, avec des dispositifs localisés à l'extérieur du jet, notamment au niveau de la lèvre de la tuyère, les perturbations introduites sont rapidement assimilées par la turbulence de la couche où se produit le mélange des deux flux. L'impact de ces perturbations sur le développement de la turbulence relève alors plus d'une modification des conditions initiales de la couche de mélange plutôt que d'une action directe sur les zones aval de l'écoulement, là où se trouvent localisées les principales sources de bruit. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un nouveau dispositif de réduction du bruit de jet des turboréacteurs, qui soit plus performant que les dispositifs actuels et qui ne dégrade pas les performances de ces turboréacteurs en croisière, que ce soit en poussée ou en consommation spécifique. A cet effet, l'invention a pour objet un capot primaire pour un turboréacteur double flux comportant un corps primaire générant un flux primaire destiné à être éjecté par une tuyère primaire et un corps secondaire générant un flux secondaire destiné à être éjecté dans une tuyère secondaire, ledit capot primaire étant conformé pour être positionné à l'aval dudit corps primaire et délimiter, du côté interne au turboréacteur, le cheminement suivi par ledit flux primaire en aval de la tuyère primaire et du côté externe, le cheminement suivi par ledit flux secondaire en aval de la tuyère secondaire, caractérisé en ce qu'il comporte un raccordement à un système d'alimentation en un gaz sous pression et au moins une perforation destinée à l'injection de ce gaz sous pression, à travers cette perforation, dans ledit flux secondaire. La présence d'une perforation sur le capot primaire permet, par une modulation des conditions d'injection d'un gaz sous pression par rapport à la pression statique régnant dans le flux secondaire, de créer un phénomène d'écoulement instationnaire le long du capot primaire qui se perpétue sur toute la longueur de ce capot et au-delà, et ainsi de réduire le bruit de jet généré par le flux secondaire. Avantageusement, la perforation est conformée pour que le jet la traversant fasse un angle compris entre 20 et 90° avec la direction du flux secondaire. Cette orientation vise à faire pénétrer le jet le plus possible à l'intérieur du flux primaire et à mieux générer le phénomène instationnaire.

Dans un mode particulier de réalisation, la perforation est conformée pour que le jet soit injecté perpendiculairement à la surface dudit capot. Préférentiellement le capot comporte un nombre de perforations compris entre 2 et 8, lesdites perforations étant réparties régulièrement sur sa circonférence. Un nombre minimum de deux permet de garder une symétrie dans la configuration adoptée et de réduire les facteurs générateurs de vibrations, alors qu'un nombre trop élevé de perforations présente, à diamètre des perforations et vitesse d'injection équivalentes, l'inconvénient d'un taux de prélèvement d'air trop important. Dans un mode particulier de réalisation, le capot comporte au moins une couronne porteuse de la-ou-desdites perforations, mobile en rotation autour de l'axe de rotation du turboréacteur et sa face externe se situe dans le prolongement dudit capot de façon à recréer une continuité dans la veine secondaire. La mise en rotation crée un phénomène instationnaire du fait de l'alternance, dans un plan donné, d'une perturbation due au passage du jet et d'une période de calme qui dure jusqu'au passage de la perforation suivante dans ce plan. Par ailleurs la création de cette couronne tournante, en laissant le reste du capot primaire fixe, allège très sensiblement le dispositif. Avantageusement la position axiale de la couronne le long du capot primaire, est positionnée, en amont de la section d'éjection primaire, entre 0.5 et 1.5 fois le diamètre de la veine primaire au niveau de ladite section d'éjection. Ce dimensionnement permet de créer un phénomène d'écoulement instationnaire sur une longueur importante du capot primaire et donc de réduire le bruit généré le long et au-delà de ce capot primaire. L'invention porte également sur un ensemble constitué d'un capot tel que décrit ci-dessus et d'un système d'alimentation en gaz sous pression dans lequel le système d'alimentation est dimensionné pour fournir à chaque perforation un débit inférieur ou égal à 0,2% du débit du flux secondaire. Dans un mode particulier de réalisation, le capot primaire comporte au moins une couronne telle que décrite ci-dessus et le système d'alimentation en gaz sous pression délivre une pression constante.

Dans un autre mode de réalisation, le capot primaire est fixe et la pression délivrée par le système d'alimentation est modulée en fonction du temps. L'invention porte enfin sur un turboréacteur équipé d'un ensemble tel que décrit ci-dessus. 2 98053 1 4 L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. 5 Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en perspective, depuis l'arrière, d'un turboréacteur double flux équipé d'un dispositif de réduction de bruit selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe du moteur de la figure 1, et - la figure 3 est une vue schématique, en coupe, de la partie arrière du turboréacteur de 10 la figure 1. En se référant à la figure 1, on voit un turboréacteur 1, à double flux et fort taux de dilution, monté sur le pylône 2 d'un aéronef (non représenté). Le réacteur 1 comprend une nacelle, dont la partie avant entoure la soufflante et dont la partie arrière, ou capot secondaire 3, forme, avec la partie externe du capot primaire 5, la tuyère d'éjection 4 du 15 flux secondaire. Le corps primaire du turboréacteur est enfermé dans une succession de carters se terminant à l'aval par le capot primaire 5 qui sépare les flux primaire et secondaire. Du côté interne le flux primaire est canalisé par le cône arrière 7 qui forme, avec la partie interne du capot primaire 5, la tuyère d'éjection 6 du flux primaire. Le capot primaire 5 est découpé circulairement en aval de la tuyère d'éjection 20 secondaire 4, pour laisser la place à une couronne 15 dont la face externe se situe dans le prolongement du capot de façon à recréer une continuité dans la veine secondaire. A la différence du capot primaire qui est fixe, cette couronne est mobile en rotation autour de l'axe du moteur. Elle est, par ailleurs, percée d'une série de perforations 8 qui sont réparties régulièrement sur sa périphérie. Ces perforations, qui 25 ont pour objet l'injection de micro-jets 9 d'air sous pression dans le flux secondaire, sont orientées de façon à assurer cette injection dans un plan radial, en référence à l'axe de rotation du moteur 1. Bien que cela n'apparaisse pas sur la figure 1, la couronne 15 est animée d'un mouvement de rotation autour de l'axe de rotation du moteur, de sorte que la direction des micro-jets 9 est constamment modifiée. 30 La figure 2 montre la partie arrière du turboréacteur 1. Le capot secondaire 3 et le capot primaire 5, tous deux de forme cylindrique, canalisent le flux secondaire 20, alors que le flux primaire 10 est canalisé par la face interne du capot primaire 5 et par le cône arrière 7. Sur cette figure apparaît la couronne tournante 15 qui s'insère dans l'épaisseur du capot primaire 5 et qui est mise en rotation par un dispositif qui sera expliqué en détail plus loin. Les perforations 8, quant à elles, sont alimentées en air sous pression par un système d'alimentation qui sera détaillé en référence à la figure 3. La figure 3 montre de façon détaillée la partie la plus aval du moteur, avec le flux secondaire 20 qui est canalisé entre le capot primaire 5 et le capot secondaire 3. A l'intérieur de ce capot primaire 5, fixe, est montée de façon tournante la couronne 15 à l'aide de moyens de support et de mise en rotation tels que des engrenages, des roulements et des paliers, non représentés. Dans la réalisation représentée sur la figure, la mise en rotation de la couronne 15 est assurée par un moteur 11 qui transmet le mouvement par l'intermédiaire d'une tige de mise en rotation 12, qui embraye sur la couronne 15, par exemple au moyen d'une roue dentée. L'alimentation en air des perforations 8 est assurée par un prélèvement sur un étage du compresseur qui envoie l'air prélevé, via une canalisation d'alimentation 13, dans une chambre d'alimentation 14. Cette chambre est mise en relation avec l'intérieur de la couronne 15 pour alimenter les perforations 8 et générer des micro-jets 9 à la sortie de celles-ci. De façon alternative, non représentée, la couronne 15 est constituée par l'ensemble du capot primaire 5 qui est mis en rotation par l'intermédiaire de dispositifs d'entraînement et de réducteurs reliés mécaniquement à l'un des arbres de rotation du moteur. Plusieurs orientations sont possibles pour les micro-jets 9 qui sont injectés dans le flux secondaire en aval de la tuyère d'éjection secondaire 4. Tels que représentés sur la figure 1 ces micro-jets sont orientés radialement, en référence à l'axe de rotation du moteur mais d'autres angles d'injection sont également possibles, l'orientation préférentielle se situant entre 20° et 90° de l'axe de rotation du moteur. Dans tous les cas les jets sont injectés avec une direction et une quantité de mouvement telles qu'ils pénètrent profondément à l'intérieur du flux secondaire et ne se répandent pas en se mélangeant immédiatement à ce flux pour s'écouler le long de la paroi externe du capot 5. On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif, selon l'invention, de réduction du bruit d'un turboréacteur.

La technologie proposée consiste principalement à mettre en rotation une couronne perforée portée par le capot primaire 5, et à l'équiper de deux ou plusieurs jets d'air comprimé, qui sont répartis en azimut sur sa périphérie et qui débitent cet air de façon continue. Le mouvement de rotation continu des jets introduit ainsi une composante instationnaire dans le flux secondaire, du fait que dans un même plan radial se succèdent chronologiquement le passage d'un jet puis des absences de perturbation. La dynamique obtenue de l'écoulement est alors plus proche de celle d'un sillage que de celle d'une couche de mélange. On peut ainsi s'attendre à ce que ces perturbations introduites dans l'écoulement ne soient pas assimilées trop rapidement par la turbulence de la couche de mélange et qu'elles conservent leur caractère cohérent sur une étendue axiale importante, voire jusqu'à l'extrémité du capot primaire et la confluence des deux flux primaire et secondaire. Le dispositif proposé se caractérise en outre par sa grande simplicité : - sa mise au point est relativement simple puisqu'il ne met en jeu qu'un nombre limité de paramètres, tels que le nombre et la position des perforations 8, le débit des jets et la vitesse de rotation à donner à la couronne 15 du capot primaire 5. - il n'y a pas de pièce mécanique susceptible d'être mise en vibration, ce qui améliore de fait la fiabilité du dispositif, - il ne nécessite qu'une faible consommation énergétique, du fait de la faible masse 15 mise en mouvement, - il ne nécessite l'ajout que de très peu de pièces, ce qui réduit le surcroît de masse embarquée, - il est implanté à l'intérieur du capot primaire, à un endroit où il existe généralement de la place non utilisée, 20 - il ne nécessite pas de modification de la forme du capot primaire, et donc n'induit pas de perte aérodynamique. Dans un mode préféré de réalisation, le dispositif est conçu avec les paramètres particuliers suivants : - le nombre de perforations 8 effectuant une injection d'air comprimé varie entre 2 25 à 8 suivant le diamètre du capot primaire. Les micro-jets 9 issus de ces perforations sont espacés régulièrement en azimut, de façon à préserver la symétrie de la géométrie de l'arrière du turboréacteur. Ce respect de la symétrie permet de s'affranchir d'une partie des problèmes de vibration qui peuvent apparaître sur des structures en rotation. - l'angle de pénétration des micro-jets dans le flux secondaire peut varier entre 20° et 30 90°, par rapport à l'axe du jet suivant le cas de figure envisagé. Les jets peuvent, en particulier, être orientés perpendiculairement à la paroi externe du capot primaire 5. - le débit des micro-jets 9 est défini comme un pourcentage du débit du flux secondaire, ce qui permet d'adapter l'invention à la taille des différents turboréacteurs existants. Après expérimentation il apparaît que ces jets restent efficaces avec un débit qui ne dépasse pas, par perforation 8, le pourcentage de 0,2% du jet secondaire. Il est préférentiellement compris entre 0.05 et 0.2 %. En conséquence, même si la couronne 15 est équipée de 8 perforations, le débit injecté par ces perforations, et qui est prélevé sur l'air en sortie du compresseur haute pression, restera inférieur à 2% du débit du jet 5 secondaire. Une telle valeur de prélèvement reste compatible avec un bon fonctionnement du moteur, en ne dégradant pas de façon excessive ses performances en poussée au décollage. Hors des phases de décollage, et notamment en croisière, là où les problèmes de bruit généré par le turboréacteur sont moins sensibles, il est prévu de mettre le dispositif de réduction du bruit hors service pour ne pas pénaliser le 10 rendement thermodynamique ou les performances du réacteur comme c'était le cas dans les systèmes de l'art antérieur. - la pression au sein du système d'injection qui alimente les micro-jets peut être fixée à une valeur telle que la vitesse de l'air des micro-jets soit au maximum sonique au passage des perforations 8. Plus la pression est élevée, meilleure est la pénétration des 15 micro-jets dans le flux secondaire et meilleure est la réduction de bruit associée. - la taille des perforations 8 peut varier, selon le nombre de perforations 8 qui sont implantées sur la couronne 15 du capot primaire 5 et la pression d'injection retenue, de 1 cm à 5 cm en diamètre. - la position axiale de ces perforations le long du capot primaire, en amont de la section 20 d'éjection primaire 6, peut varier entre 0.5 et 1.5 fois le diamètre de la veine primaire au niveau de sa section d'éjection 6. Ce dimensionnement permet de créer un phénomène d'écoulement instationnaire sur une longueur importante du capot primaire et donc de réduire le bruit généré le long et au-delà de ce capot primaire. - la température de l'air injecté est préférentiellement comprise entre la température du 25 flux primaire et celle du flux secondaire. - la vitesse de rotation donnée à la couronne 15 est fonction de sa taille et donc, de celle du moteur sur lequel il est monté. Le dispositif selon l'invention a été décrit avec une injection d'air comprimé continue à partir d'une couronne tournante 15 intégrée dans le capot primaire 5, ce qui 30 a pour effet de créer une injection fluidique instationnaire dans le flux secondaire 20, dont l'origine est placée au centre de ce flux secondaire. Le caractère instationnaire provient, comme déjà indiqué plus haut, de l'alternance, dans un plan radial donné, d'une perturbation due au passage du jet 9 et d'une période de calme qui dure jusqu'au passage de la perforation 8 suivante. D'autres dispositifs qui assurent la même fonction peuvent être imaginés, qui entrent, eux aussi, dans le cadre de la présente invention. A titre d'exemple cette injection instationnaire pourrait être obtenue à partir d'injecteurs fixes portés par un capot primaire 5, sans couronne tournante, en organisant une modulation pulsée de la pression appliquée à l'air qui traverse les perforations 8. Les modulations de la pression créeraient alors l'instationnarité recherchée au sein du flux secondaire et la dynamique qui est génératrice d'une réduction du bruit.10

Claims

REVENDICATIONS1. Capot primaire pour un turboréacteur double flux comportant un corps primaire générant un flux primaire (10) destiné à être éjecté par une tuyère primaire (6) et un corps secondaire générant un flux secondaire destiné à être éjecté dans une tuyère secondaire (4), ledit capot primaire (5) étant conformé pour être positionné à l'aval dudit corps primaire et délimiter, du côté interne au turboréacteur, le cheminement suivi par ledit flux primaire en aval de la tuyère primaire (6) et du côté externe, le cheminement suivi par ledit flux secondaire en aval de la tuyère secondaire (4), caractérisé en ce qu'il comporte un raccordement à un système d'alimentation en un gaz sous pression et au moins une perforation (8) destinée à l'injection de ce gaz sous pression, à travers cette perforation, dans ledit flux secondaire.
2. Capot selon la revendication 1 dans lequel la perforation (8) est conformée pour que le jet (9) la traversant fasse un angle compris entre 20 et 90° avec la direction du flux secondaire (10).
3. Capot selon la revendication 2 dans lequel la perforation (8) est conformée pour que le jet (9) soit injecté perpendiculairement à la surface dudit capot.
4. Capot selon l'une des revendications 1 à 3 comportant un nombre de perforations (8) compris entre 2 et 8, lesdites perforations étant réparties régulièrement sur sa circonférence.
5. Capot selon l'une des revendications 1 à 4 comportant au moins une couronne (15) porteuse de la-ou-desdites perforations, mobile en rotation autour de l'axe de rotation du turboréacteur et dont la face externe se situe dans le prolongement dudit capot (5) de façon à recréer une continuité dans la veine secondaire.
6. Capot selon la revendication 5 dans lequel la position axiale de la couronne (15) le long du capot primaire, est positionnée, en amont de la section d'éjection primaire (6), entre 0.5 et 1.5 fois le diamètre de la veine primaire au niveau de ladite section d'éjection.
7. Ensemble constitué d'un capot selon l'une des revendications 1 à 6 et d'un système d'alimentation en gaz sous pression dans lequel le système d'alimentation est dimensionné pour fournir à chaque perforation (8) un débit inférieur ou égal à 0,2% du débit du flux secondaire.
8. Ensemble constitué d'un capot selon la revendication 5 et d'un système d'alimentation en gaz sous pression délivrant une pression constante.
9. Ensemble constitué d'un capot selon l'une des revendications 1 à 4 et d'un système d'alimentation en gaz sous pression dans lequel ledit capot est fixe et dans lequel la pression délivrée par le système d'alimentation est modulée en fonction du temps.
10. Turboréacteur équipé d'un ensemble selon l'une des revendications 7 à 9.