FR2994460A1 - Cone d'ejection pour turbomachine comportant des moyens d'aspiration de couche limite d'un flux d'air - Google Patents
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Abstract
Un cône d'éjection (4) pour turbomachine dans laquelle circule un flux d'air axial d'amont en aval, ledit cône d'éjection (4) comportant une enveloppe circonférentielle creuse (40) s'étendant selon un axe (X) et dont la concavité est tournée vers l'amont, le cône comportant des moyens d'aspiration (5) de couche limite d'un flux d'air circulant à la surface externe de l'enveloppe circonférentielle (40).
Description
CONE D'EJECTION POUR TURBOMACHINE COMPORTANT DES MOYENS D'ASPIRATION DE COUCHE LIMITE D'UN FLUX D'AIR DOMAINE TECHNIQUE GENERAL ET ART ANTERIEUR L'invention concerne le domaine des turbomachines, en particulier, l'éjection des gaz d'une turbomachine pour la propulsion d'un aéronef. De manière classique, en référence à la figure 1, une turbomachine permet d'accélérer un flux de gaz d'amont en aval afin de générer une poussée. Traditionnellement, le flux de gaz d'éjection est conduit à l'air libre dans la partie aval de la turbomachine par un cône d'éjection qui est monté sur l'axe de la turbomachine. Comme illustré à la figure 1, un cône d'éjection 3 se présente sous la forme d'une enveloppe de section transversale circulaire dont la concavité est tournée vers l'amont. Le cône d'éjection 3 est classiquement placé à la confluence entre un flux primaire F1 circulant dans une veine primaire intérieure V1 et un flux secondaire F2 circulant dans une veine secondaire extérieure V2, les veines V1, V2 étant séparées par une paroi de séparation terminée en aval par un mélangeur 2. Dans cet exemple, le flux secondaire F2 est délimité extérieurement par une nacelle 1 de la turbomachine. La fonction principale du cône d'éjection consiste à guider l'écoulement du flux de gaz d'éjection afin d'éviter tout décollement. En effet, un tel décollement affecte les performances de la turbomachine ce qui présente un inconvénient.
En pratique, un écoulement se décolle de la surface extérieure du cône d'éjection 3 lorsque son enveloppe extérieure possède une pente importante. Pour limiter le risque d'écoulement, il est connu de prévoir un cône d'éjection 3 de longueur axiale importante comme représenté sur la figure 1 afin de ménager une enveloppe extérieure de pente faible. Néanmoins, du fait de sa longueur, un tel cône d'éjection 3 présente une masse importante ce qui pénalise le rendement de la turbomachine. Un des buts de l'invention est de proposer un cône d'éjection capable d'éviter tout décollement de l'écoulement du flux de gaz d'éjection et dont la masse est faible.
PRESENTATION GENERALE DE L'INVENTION Pour éliminer au moins certains de ces inconvénients, l'invention concerne un cône d'éjection pour turbomachine dans laquelle circule un flux d'air axial d'amont en aval, ledit cône d'éjection comportant une enveloppe circonférentielle creuse s'étendant selon un axe et dont la concavité est tournée vers l'amont. Le cône est remarquable en ce qu'il comporte des moyens d'aspiration de couche limite d'un flux d'air circulant à la surface externe de l'enveloppe circonférentielle. Grâce aux moyens d'aspiration, on peut limiter tout risque de décollement et ainsi proposer un cône d'éjection de forte pente et de longueur axiale réduite. De tels moyens d'aspiration permettent avantageusement de limiter la masse du cône d'éjection.
De préférence, les moyens d'aspiration sont passifs ce qui limite la complexité du cône ainsi que sa masse. De manière préférée, l'enveloppe circonférentielle comportant une extrémité amont de grande section transversale apte à être fixée à une turbomachine et une extrémité aval de faible section transversale, les moyens d'aspiration sont configurés pour générer une aspiration à proximité de l'extrémité aval. Comme la pression statique est plus forte à proximité de l'extrémité aval de forte pente, les moyens d'aspiration permettent d'agir directement dans la zone dans laquelle le décollement est le plus probable.
De préférence, les moyens d'aspiration se présentent sous la forme d'une pluralité d'orifices d'aspiration traversant l'enveloppe circonférentielle. Par orifices d'aspiration, on entend aussi bien une ouverture de forme diverse (circulaire, rectangulaire, etc.), qu'une fente ou une grille. De préférence encore, lesdits orifices d'aspiration sont répartis selon au moins une rangée annulaire dans un plan transversal à l'axe du cône d'éjection. De préférence toujours, lesdits orifices d'aspiration sont répartis angulairement à la circonférence de l'enveloppe ce qui permet une aspiration homogène de la couche limite. De manière préférée, lesdits orifices d'aspiration sont répartis selon une pluralité de rangées annulaires, chaque rangée étant dans un plan transversal distinct. Ainsi, on peut régler la zone d'aspiration en adaptant le nombre de rangées d'orifices d'aspiration. De préférence, deux rangées annulaires consécutives d'orifices d'aspiration sont écartées d'une distance inférieure à 5 fois le diamètre moyen des orifices de la rangée la plus en aval ce qui permet d'éviter tout décollement entre les deux rangées consécutives.
De manière préférée, le cône d'éjection comporte des moyens d'éjection du flux d'air aspiré par les moyens d'aspiration. Ainsi, le cône d'éjection ne conserve pas le flux aspiré et le rejette directement dans le flux d'éjection.
Selon un aspect préféré, les moyens d'éjection sont configurés à proximité de la zone de l'enveloppe circonférentielle dont la section transversale est maximale. De manière avantageuse, la pente de l'enveloppe est faible dans cette zone ce qui autorise une éjection sans risque de décollement.
De préférence, les moyens d'aspiration et les moyens d'éjection sont en communication fluidique via l'intérieur de l'enveloppe circonférentielle. L'enveloppe circonférentielle remplit une fonction de canalisation de conception simple et de masse réduite. De préférence, les moyens d'aspiration et les moyens d'éjection sont configurés pour permettre une recirculation de l'aval vers l'amont.
De manière avantageuse, les moyens d'éjection sont passifs et se présentent sous la forme d'une pluralité d'orifices d'éjection traversant l'enveloppe circonférentielle. Par orifices d'éjection, on entend aussi bien une ouverture de forme diverse (circulaire, rectangulaire, etc.), qu'une fente ou une grille. De manière préférée, lesdits orifices d'éjection sont répartis selon au moins une rangée annulaire dans un plan transversal. De préférence, le cône d'éjection comportant une partie amont proximale et une partie aval distale séparées par un plan transversal de section égale à la moitié de la section maximale, les moyens d'aspiration sont formés dans la partie aval distale tandis que les moyens d'éjection sont formés dans la partie amont proximale de manière à tirer profit du gradient de pression à la surface du cône d'éjection. L'invention concerne également une turbomachine dans laquelle circule un flux d'air axial d'amont en aval comportant un carter d'échappement sur lequel est monté un cône d'éjection tel que présenté précédemment. De manière préférée, la turbomachine est à flux séparés ou à flux mélangés. PRESENTATION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et se référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'une coupe axiale d'une turbomachine, un cône d'éjection selon l'art antérieur étant représenté par un trait discontinu tandis qu'un cône d'éjection selon l'invention est représenté par un trait plein; la figure 2 est une représentation schématique de la valeur de la pression statique dans un turboréacteur à double flux ; la figure 3 est une représentation en perspective de dessus d'un cône d'éjection selon l'invention ; la figure 4 est une représentation en perspective de côté du cône d'éjection de la figure 3, et la figure 5 est une demi-vue en coupe d'un cône d'éjection selon l'invention au cours de l'aspiration passive de la couche limite. Il faut noter que les figures exposent l'invention de manière détaillée pour mettre en oeuvre l'invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l'invention le cas échéant. DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION ET DE MISE EN OEUVRE L'invention concerne un cône d'éjection pour turbomachine de longueur raccourcie (en trait plein sur la figure 1) par comparaison à un cône d'éjection selon l'art antérieur (en trait discontinu sur la figure 1). 15 Le cône d'éjection 4 selon l'invention va être présenté pour une utilisation dans un turboréacteur dans lequel circulent axialement des flux d'air d'amont en aval. En référence à la figure 1, il est représenté un turboréacteur à flux mélangés comportant une veine intérieure primaire V1 et une veine extérieure secondaire V2 dans lesquels circulent respectivement un flux primaire F1 et un flux secondaire F2. Un cône d'éjection 4 selon l'invention est fixé à la turbomachine, sur son axe X, 20 à la confluence du flux primaire F1 et du flux secondaire F2 qui forment, après mélange, un flux d'éjection FE. Il va de soi que l'invention s'applique également à une turbomachine à flux séparés. Dans cet exemple, le cône d'éjection 4 est monté de manière solidaire à un carter d'échappement de la turbomachine mais il va de soi que le montage pourrait être différent. 25 En référence aux figures 3 et 4, un cône d'éjection 4 selon l'invention comporte une enveloppe circonférentielle creuse 40 s'étendant selon un axe X et dont la concavité est tournée vers l'amont. Le cône d'éjection 4 possède une forme générale conique, la section transversale de son enveloppe circonférentielle 40 n'étant ici pas strictement décroissante de l'amont vers l'aval 30 comme illustré à la figure 4. De préférence, l'enveloppe 40 du cône d'éjection 4 est formée d'une paroi métallique de faible épaisseur, de l'ordre de 1 mm. L'enveloppe circonférentielle 40 comporte une extrémité amont 4A de grande section transversale apte à être fixée à une turbomachine et une extrémité aval 4B de faible section transversale, de 35 préférence, de forme pointue. Par la suite, la longueur L du cône d'éjection 4 est définie à partir de l'extrémité amont 4A de l'enveloppe circonférentielle 40. Par la suite, par souci de clarté, le cône d'éjection 4 est divisé de manière abstraite en une partie amont proximale 4P et une partie aval distale 4D séparées par un plan transversal de référence P 40 illustré à la figure 4. Le plan transversal de référence P possède une section transversale Dm/2 10 égale à la moitié de la section maximale D, de l'enveloppe circonférentielle 40. Dans cet exemple de la figure 4, la partie amont proximale 4P concerne environ 70% de la longueur totale tandis que la partie aval distale 4D concerne environ 30% de la longueur totale.
II va de soi que les parties proximale 4P et distale 4D du cône d'éjection 4 peuvent varier en fonction de l'application. Moyens d'aspiration Le cône d'éjection 4 est remarquable en ce qu'il comporte des moyens d'aspiration 5 de couche limite d'un flux d'air d'éjection FE circulant à la surface externe de son enveloppe circonférentielle 40. De tels moyens d'aspiration 5 permettent d'éviter tout décollement de couche limite pour un cône de longueur raccourcie, c'est-à-dire, possédant une enveloppe circonférentielle 40 de forte pente.
Comme illustré à la figure 2, un flux d'éjection FE se forme à la confluence du flux primaire F1 avec le flux secondaire F2. Ce flux d'éjection FE exerce une pression statique sur la surface extérieure de l'enveloppe 40 du cône d'éjection 4 dont la valeur est variable comme illustré par les signes « + » et « - » sur la figure 2. En particulier, la pression statique est plus faible au niveau de la partie amont proximale 4P qu'au niveau de la partie aval distale 4D du cône d'éjection 40. Plus on réduit la longueur du cône d'éjection 4, plus la pente de la partie aval distale 4D est élevée et plus le risque de décollement est élevé au niveau de la partie aval distale 4D. Le cône d'éjection 4 comporte des moyens d'aspiration 5 formés dans la partie aval distale 4D de manière à générer une aspiration à proximité de l'extrémité aval 4B, c'est-à-dire, dans la zone de plus forte pression statique et pour laquelle le risque de décollement est le plus important. De manière préférée, les moyens d'aspiration 5 sont passifs de manière à faciliter leur mise en oeuvre tout en limitant leur masse et leur encombrement. Néanmoins, il va de soi que des moyens d'aspiration actifs alimentés par la turbomachine pourraient également convenir (aspirateur électrique ou pneumatique, etc.). En référence aux figures 3 et 4, les moyens d'aspiration 5 se présentent sous la forme d'une pluralité d'orifices d'aspiration 5 traversant l'enveloppe circonférentielle 40. De préférence, les orifices d'aspiration 5 possèdent le même diamètre afin de permettre une aspiration homogène. Dans cet exemple, les orifices d'aspiration 5 sont répartis selon trois rangées annulaires A1-A3, chaque rangée A1-A3 étant dans trois plans distincts transversaux à l'axe X du cône d'éjection 4. Néanmoins, il va de soi que le nombre de rangées annulaires pourrait être différent.40 De manière préférée, deux rangées annulaires consécutives A1-A3 d'orifices d'aspiration 5 sont écartées d'une distance axiale inférieure à 5 fois le diamètre moyen des orifices de la rangée la plus en aval de manière à permettre une aspiration homogène de la couche limite sur une zone définie du cône d'éjection 4 tout en évitant un décollement de couche limite entre les deux rangées. De préférence, chaque rangée A1-A3 comporte le même nombre d'orifices d'aspiration 5 qui sont répartis à la circonférence de l'enveloppe 40.
Moyens d'éjection Selon un aspect préféré de l'invention, le cône d'éjection 4 comporte des moyens d'éjection 6 du flux d'air aspiré par les moyens d'aspiration 5. En référence à la figure 2, les moyens d'aspiration 5 et les moyens d'éjection 6 sont en communication fluidique via l'intérieur de l'enveloppe circonférentielle 40. Autrement dit, l'espace intérieur du cône d'éjection 4 permet de faire circuler le flux d'air aspiré FA par les moyens d'aspiration 5 pour éjecter ce flux d'air par les moyens d'éjection 6. De préférence, l'enveloppe extérieure 40 est unitaire et ne comporte pas de canaux reliant les moyens d'aspiration 5 aux moyens d'éjection 6, le flux d'air aspiré FA étant guidé par la surface intérieure de l'enveloppe 40.
Comme illustré aux figures 3 et 4, les moyens d'éjection 6 sont formés dans la partie amont proximale 4P, de préférence, à proximité de la zone de l'enveloppe circonférentielle 40 dont la section transversale possède le plus grand diamètre. Dans cette zone, la pente est la plus faible ainsi que la pression statique ce qui favorise la circulation du flux d'air aspiré FA depuis une zone de forte pression vers une zone de faible pression comme illustré à la figure 2. De manière préférée, les moyens d'éjection 6 sont également passifs de manière à faciliter leur mise en oeuvre tout en limitant leur masse et leur encombrement. Néanmoins, il va de soi que des moyens d'éjection actifs alimentés par la turbomachine pourraient également convenir (souffleur électrique ou pneumatique, etc.). De préférence, les moyens d'éjection 6 se présentent sous la forme d'une pluralité d'orifices d'éjection 6 traversant l'enveloppe circonférentielle 40. De préférence encore, les orifices d'éjection 6 possèdent la même section globale que les orifices d'aspiration 5.
Dans cet exemple, les orifices d'éjection 5 sont répartis selon une unique rangée annulaire El appartenant à un plan transversal à l'axe X du cône d'éjection 4. Néanmoins, il va de soi que le nombre de rangées annulaires pourrait être différent. De préférence, les orifices d'éjection 6 sont répartis à la circonférence de l'enveloppe 40.40 Mise en oeuvre Comme illustré aux figures 2 et 5, en conditions d'utilisation, le cône d'éjection 4 guide un flux d'éjection FE sur la surface extérieure de son enveloppe 40. Du fait des différences de pression entre sa partie proximale 4P et sa partie distale 4D, le flux d'air FA est aspiré de manière passive par les orifices d'aspiration 5 de la partie distale 4D pour circuler dans l'espace intérieur de l'enveloppe 40 pour être ensuite éjecté au niveau de la partie proximale 4P de faible pression vers les orifices d'éjection 6.
De manière avantageuse, l'aspiration réalisée par les orifices d'aspiration 5 est homogène et permet d'éviter tout décollement. De manière préférée, il suffit de prévoir des rangées annulaires dans les zones de la partie distale 4D qui sont le plus susceptible de générer un décollement. Un tel cône d'éjection 4 est donc adaptable en fonction de la turbomachine sur laquelle il doit être monté.
En outre, l'éjection réalisée par les orifices d'éjection 6 est homogène et ne perturbe pas le flux d'éjection FE étant donné que la pression est faible à la zone de confluence. Avantageusement, de tels moyens d'aspiration permettent de limiter de manière importante la longueur d'un cône d'éjection, de l'ordre de 30%, ce qui engendre un gain en masse de l'ordre de 15%. La présence de moyens passifs aussi bien pour l'aspiration que pour l'éjection permet de disposer d'un cône d'éjection de conception simple et de masse limitée ce qui est avantageux.
Il va de soi que les orifices d'aspiration et d'émission peuvent présenter des formes diverses, par exemple, un trou circulaire, une fente ou une grille.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Cône d'éjection (4) pour turbomachine dans laquelle circule un flux d'air axial d'amont en aval, ledit cône d'éjection (4) comportant une enveloppe circonférentielle creuse (40) s'étendant selon un axe (X) et dont la concavité est tournée vers l'amont, cône caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens d'aspiration (5) de couche limite d'un flux d'air (FE) circulant à la surface externe de l'enveloppe circonférentielle (40).
- 2. Cône d'éjection selon la revendication 1, dans lequel, les moyens d'aspiration (5) sont passifs.
- 3. Cône d'éjection selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel, l'enveloppe circonférentielle (40) comportant une extrémité amont (4A) de grande section transversale apte à être fixée à une turbomachine et une extrémité aval (4B) de faible section transversale, les moyens d'aspiration (5) sont configurés pour générer une aspiration à proximité de l'extrémité aval (4B).
- 4. Cône d'éjection selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens d'aspiration (6) se présentent sous la forme d'une pluralité d'orifices d'aspiration (5) traversant l'enveloppe circonférentielle (40).
- 5. Cône d'éjection selon la revendication 4, dans lequel lesdits orifices d'aspiration (5) sont répartis selon au moins une rangée annulaire (A1-A3) dans un plan transversal à l'axe (X) du cône d'éjection (4).
- 6. Cône d'éjection selon l'une des revendications 1 à 5 comportant des moyens d'éjection (6) du flux d'air aspiré par les moyens d'aspiration (5).
- 7. Cône d'éjection selon la revendication 6, dans lequel, les moyens d'éjection (6) sont configurés à proximité de la zone de l'enveloppe circonférentielle (40) dont la section transversale est maximale (Dm).
- 8. Cône d'éjection selon l'une des revendications 6 à 7, dans lequel les moyens d'éjection (6) se présentent sous la forme d'une pluralité d'orifices d'éjection (6) traversant l'enveloppe circonférentielle (40).
- 9. Cône d'éjection selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel le cône d'éjection (4) comportant une partie amont proximale (4P) et une partie aval distale (4D) séparées par un plan transversal (P) de section (Dm/2) égale à la moitié de la section maximale (Dm), lesmoyens d'aspiration (5) sont formés dans la partie aval distale (4D) tandis que les moyens d'éjection (6) sont formés dans la partie amont proximale (4P).
- 10. Turbomachine dans laquelle circule un flux d'air axial d'amont en aval comportant un carter d'échappement sur lequel est monté le cône d'éjection (4) selon l'une des revendications 1 à 9.
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