FR3002287A1 - Procede de melange entre un ecoulement primaire et un ecoulement secondaire dans une turbomachine, dispositif et turbomachine correspondants - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de mélange dans un conduit d'éjection d'un écoulement primaire et d'un écoulement secondaire, les deux écoulements débouchant dans ledit conduit d'éjection par deux veines coaxiales, et l'écoulement secondaire entourant l'écoulement primaire, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer au moins un moyen de déflection radiale divergente dans la veine de l'écoulement primaire, près de son extrémité aval en étant écarté des parois. Elle concerne également les moyens de déflection aptes à mettre en œuvre le procédé, avec les moyens de fixations desdits moyens de déflection aptes à les positionner dans la veine primaire ; ainsi qu'une turbomachine équipée de ces moyens, comprenant au moins un écoulement primaire et un écoulement secondaire, les deux écoulements débouchant dans un conduit d'éjection par deux veines coaxiales, l'écoulement secondaire entourant l'écoulement primaire.

Description

Domaine technique : La présente invention est relative aux turbomachines dans les conduits desquelles se rejoignent 5 des écoulements de caractéristiques thermodynamiques très différentes. Elle vise plus particulièrement des dispositifs accélérant le mélange dans un conduit de jets provenant de veines concentriques, pour homogénéiser les températures. Etat de l'art : 10 L'invention concerne une configuration où un écoulement primaire, sortant des étages de turbine après la chambre de combustion, rejoint dans un conduit d'éjection un écoulement secondaire arrivant en périphérie. Ce genre de configuration présente une symétrie de révolution autour d'un axe LL', représenté sur la figure 1. On définit pour la suite un plan axial comme étant un plan 15 passant par cet axe LL'. De même, on utilise les qualificatifs « interne » et « externe » pour désigner ce qui est respectivement plus proche et plus éloigné de l'axe LL'. La figure 1 fournit un exemple de turboréacteur présentant cette configuration. L'écoulement primaire des gaz passés par la chambre de combustion sont éjectés après la turbine par une veine 20 formant tuyère. Une part de l'énergie récupérée dans la turbine est utilisée pour entraîner une soufflante qui crée une poussée supplémentaire. L'air accéléré par cette soufflante forme un écoulement secondaire qui est conduit dans une veine entourant la partie moteur. Les deux écoulements se rejoignent en sortie de veine du flux primaire pour passer à l'intérieur d'un conduit d'éjection, formé ici par la partie arrière du capot. 25 Cette configuration simplifiée n'est pas la seule. Dans le cas des turboréacteurs pour avions supersoniques, en particulier, la forme du cône arrière peut être plus complexe et le conduit d'éjection peut déboucher dans un étage de postcombustion. Par ailleurs, le document FR 2 228 949 propose des variantes de turbomachine avec une soufflante après le mélange des écoulements 30 primaire et secondaire. Le conduit d'éjection n'est pas forcément une tuyère, dans certaines configurations, la confluence mène en aval à une turbine de puissance par exemple ou à tout autre dispositif D'une manière générale il est important de mélanger le plus fortement possible l'écoulement primaire et l'écoulement secondaire avant la sortie du conduit d'éjection pour des raisons de performances et de bruit. Ces deux écoulements présentent des conditions thermodynamiques très différentes, l'écoulement primaire étant beaucoup plus chaud et rapide que l'écoulement secondaire. On connaît, par exemple dans FR 2 875 854, des mélangeurs à lobes où le capot en sortie de la veine primaire prend une forme dite de marguerite pour favoriser l'interpénétration des écoulements (fig. 2). Ce type de solution est largement utilisé pour homogénéiser l'écoulement en sortie de certains types de turboréacteur, notamment pour atténuer le bruit. Il est déjà apparu insuffisant pour cet objectif, en particulier lors des phases de décollage. Ainsi, le document US 5157916 décrit un éjecteur, formé de lobes dépliables à partir du cône arrière et placés dans le conduit d'éjection, pour forcer le mélange des flux primaire et secondaire à la sortie du conduit d'éjection. Cependant, le dispositif correspondant s'étend axialement sur une distance correspondant à plusieurs fois le rayon de la veine d'écoulement primaire. Jusqu'à présent, aucune solution ne permet d'obtenir une forte homogénéisation de l'écoulement sur de courtes distances, notamment pour éviter des pics de températures dus à l'écoulement primaire.

Présentation de l'invention: L'invention a pour but de réduire drastiquement la distance nécessaire pour obtenir un fort mélange des écoulements primaires et secondaires, plus particulièrement pour faire disparaître les pics de température. L'invention concerne un procédé de mélange dans un conduit d'éjection d'un écoulement primaire et d'un écoulement secondaire, les deux écoulements débouchant dans ledit conduit d'éjection par deux veines coaxiales, et l'écoulement secondaire entourant l'écoulement primaire, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer au moins un moyen de déflection radiale divergente dans la veine de l'écoulement primaire, près de son extrémité aval en étant écarté des parois.

En étant disposé en bout de veine, le déflecteur fait jaillir de manière divergente une partie de l'écoulement primaire qui vient bousculer l'écoulement secondaire en face de son orifice de sortie. Cette impulsion radiale, en déviant une partie de l'écoulement primaire chaud vers l'écoulement secondaire, accélère les échanges thermiques entre les deux écoulements. Par ailleurs, le conduit d'éjection participe au processus de mélange en empêchant l'écoulement secondaire de s'échapper radialement. De plus, la présence du conduit d'éjection contraint l'écoulement global à se diriger vers l'aval. Ce moyen de déflection, écarté des parois de la veine de l'écoulement primaire, est ainsi placé au milieu de l'écoulement primaire, il imprime une déflection à une partie de l'écoulement primaire bien plus importante que s'il était placé contre une paroi. Par ailleurs, l'invention est mise en oeuvre préférentiellement en organisant une alternance, en azimut autour de l'axe des veines, de zones où l'écoulement primaire est défléchi et de zones où il ne l'est pas. Par ce procédé, pendant que l'écoulement primaire s'écarte de l'axe sur un secteur, l'écoulement secondaire converge vers l'axe sur un secteur voisin. Avantageusement, cette configuration d'écoulement évite de former un bouchon devant la sortie de l'écoulement secondaire et crée un effet d'interpénétration des flux, analogue à celui des mélangeurs à lobes.

L'invention concerne également le moyen ou la pluralité de moyens de déflection aptes à mettre en oeuvre le procédé, ainsi que le ou les moyens de fixations desdits moyens de déflection aptes à les positionner dans la veine primaire. L'invention concerne en outre une turbomachine à deux ou plusieurs flux, comprenant au moins un écoulement primaire et un écoulement secondaire, les deux écoulements débouchant dans un conduit d'éjection par deux veines coaxiales, l'écoulement secondaire entourant l'écoulement primaire. Une telle turbomachine est remarquable par le fait qu'elle est équipée de moyens de déflection aptes à mettre en oeuvre le procédé de mélange des écoulements décrit précédemment, ainsi que de moyens de fixations desdits moyens de déflection aptes à les positionner dans la veine primaire.

De manière préférentielle, le moyen de déflection est constitué d'un aileron dont le profil, dans au moins un plan axial de la veine primaire passant par ledit aileron, est cambré dans la direction opposée à l'axe de la veine primaire. D'une part, il est possible de définir le profil de tels ailerons pour minimiser les pertes de pression et les traînées. D'autre part, ce mode de réalisation révèle un effet de mélange complémentaire. En effet, ces ailerons créent des tourbillons marginaux, en bout d'envergure, et éventuellement de coin, à l'intersection avec les moyens de fixation, qui participent au processus de mélange.

Le dispositif est particulièrement adapté au cas où l'écoulement primaire, étant passé par la chambre de combustion, présente un profil radial des températures avec un maximum écarté des parois de la veine primaire. De manière avantageuse, en vue de réduire drastiquement les pics de température en aval, les moyens de déflection sont positionnés de telle sorte que leur extrémité amont se trouve à un rayon inférieur à celui du maximum des températures.

Cette configuration atteint son but parce que l'écoulement secondaire est froid. Par ailleurs, le profil radial des températures dans l'écoulement atteint un maximum, assez plat, vers le rayon moyen. En plaçant les déflecteurs sous cette zone, c'est donc la région la plus chaude de l'écoulement primaire que l'on force à se mélanger prioritairement avec l'air froid de l'écoulement secondaire. De manière avantageuse, l'invention concerne une turbomachine comprenant des bras structuraux dans l'extrémité aval de la veine primaire, dans laquelle chaque bras structural constitue le moyen de fixation d'un aileron utilisé comme moyen de déflection. Dans un mode de réalisation particulier, cet aileron s'étend de manière symétrique de part et d'autre du bras structural. Dans un mode de réalisation adapté à la mise en oeuvre du procédé avec alternance de zones de déflection de l'écoulement primaire et de zones où l'écoulement secondaire peut passer librement, la section de la veine primaire est circulaire et les moyens de déflection sont répartis angulairement autour de l'axe de l'écoulement de manière périodique, l'extension angulaire de chaque moyen de déflection étant égale à une demi-période.

Dans le but d'augmenter encore les échanges de température, une variante du dispositif intègre un moyen de prélèvement d'air dans l'écoulement secondaire et au moins un conduit de cet air prélevé débouchant au bord de fuite de chaque moyen de déflection axiale.

Compte tenu de la position des moyens de déflection, particulièrement les ailerons, ce dispositif introduit de l'air froid dans la partie la plus chaude de l'écoulement, en profitant de l'extension angulaire en azimut des ailerons pour homogénéiser le mélange. Description d'un mode de réalisation de l'invention : On décrit maintenant un mode de réalisation non limitatif de l'invention, plus en détail, en référence aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 représente un exemple de turboréacteur où les écoulements primaire et secondaire se mélangent dans un conduit d'éjection; La figure 2 montre un mélangeur selon l'état de l'art. La figure 3 montre une coupe dans un plan axial d'une installation de turbomachine équipée de l'invention. La figure 4 montre le profil d'un aileron déflecteur dans le plan axial. La figure 5 présente un exemple de profil radial des températures dans l'écoulement de la veine primaire. La figure 6 montre une vue en perspective de la zone aval de la veine primaire avec les ailerons montés sur les bras structuraux. La figure 7 montre une coupe dans un plan axial d'une variante de réalisation avec soufflage d'air secondaire en bout d'aileron.

Une réalisation du dispositif est présentée en figure 3 pour une turbomachine présentant une symétrie de révolution autour d'un axe LL' dans la zone où s'applique le dispositif de mélange. On y voit un corps central délimité par une paroi la, un carter interne délimité par les parois lb et 2b, et un carter externe délimité en interne par la paroi 2a. Les écoulements dans l'installation vont de la gauche vers la droite. L'arrête A, où se rejoignent les parois lb et 2a, définit ainsi l'extrémité aval du carter interne. Les parois la et lb définissent en amont de A une veine primaire, correspondant à la sortie d'un écoulement primaire passé par la chambre de combustion. Les parois 2a et 2b définissent en amont du point A une veine secondaire par laquelle passe un écoulement secondaire. Les parois la et 2a définissent en aval de A un conduit d'éjection où se mélangent les deux écoulements avant d'en sortir. Sans dispositif particulier, les deux écoulements arrivent avec des composantes sensiblement parallèles dans le plan axial au niveau de leur confluence, en A. Leurs caractéristiques thermodynamiques sont cependant différentes. Notamment, la température qui est ici la principale caractéristique que l'on va chercher à homogénéiser, est beaucoup plus élevée dans l'écoulement primaire que dans l'écoulement secondaire (typiquement 1000°K contre 400°K).

Le présent dispositif se base sur l'idée de rediriger la partie la plus chaude de l'écoulement primaire vers l'écoulement secondaire qui est froid. Pour cela, on utilise comme moyens de déflection des ailerons 4 positionnés à l'intérieur de la veine primaire, près de son extrémité aval, perpendiculairement au plan axial passant par leur milieu et aérodynamiquement profilés dans ce plan axial pour défléchir l'écoulement primaire vers la paroi externe 2a du conduit d'éjection. Ces ailerons déflecteurs sont répartis angulairement autour de l'axe LL' en laissant des secteurs angulaires libres entre eux. Des moyens de fixation 3 maintiennent les moyens de déflection dans la position choisie, écartée des parois de la veine primaire. Dans un mode de réalisation typique pour une turbomachine le carter interne est maintenu près de son extrémité aval par des bras structuraux 3, situés dans la veine primaire après la turbine basse pression. De manière préférentielle, l'invention utilise ces bras pour fixer les ailerons en leur centre et éviter ainsi l'ajout de structures supplémentaires, causes de pertes de charge dans l'écoulement. Cependant, dans une configuration où les bras structuraux sont éloignés de la sortie de la veine, une virole tenant les ailerons, la virole étant elle-même maintenue par des tiges liées aux parois de la veine, constitue une variante de réalisation de ces moyens de fixation. Ces ailerons déflecteurs ont trois rôles : rediriger le flux chaud vers les parties plus froides afin d'homogénéiser les températures an aval de la confluence ; - permettre également à l'écoulement secondaire froid de converger vers l'intérieur du flux chaud dans le conduit d'éjection dans les secteurs angulaires où les déflecteurs sont absents et ainsi refroidir la partie basse de l'écoulement ; - créer des tourbillons marginaux, en bout d'aileron, et éventuellement de coins, à leur jonction avec les moyens de fixation, qui augmentent les surfaces d'échanges entre écoulements et améliore le mélange et l'échange thermique. Ces ailerons déflecteurs ont chacun individuellement une extension angulaire limitée en azimut autour de l'axe LL'. Cela permet, dans un mode de réalisation privilégié, de leur donner une forme simple, cylindrique perpendiculaire au plan axial à la veine passant par leur milieu, avec un profil constant sur l'envergure. En effet, le but est d'avoir un aileron aérodynamiquement profilé, avec une faible incidence au bord d'attaque sur l'ensemble de l'écoulement rencontré, pour minimiser les pertes de charges à angle de déflection donné. C'est la cambrure du profil vers l'extérieur par rapport à l'axe LL' dans le plan axial de la veine qui défléchit l'écoulement primaire. Dans une variante de réalisation, il est cependant envisageable de courber ces ailerons en envergure autour de l'axe LL' pour accompagner la géométrie de la tuyère, notamment dans une configuration où chaque aileron couvre individuellement un secteur angulaire important. L'optimisation de la forme des ailerons est faite par calcul dans la géométrie de l'installation en vue d'obtenir à une distance donnée en aval de sortie de veine un profil des températures le plus homogène possible. Une manière de procéder est d'utiliser les profils de type NACA avec cambrure que l'on définit par quelques paramètres, tels que leur orientation DD' par rapport à l'axe LL', l'angle de cambrure c, l'épaisseur e (voir fig. 4).

D'autres paramètres interviennent dans l'optimisation, en particulier la position radiale de ces ailerons déflecteurs. On veut que l'aileron dirige la partie la plus chaude de l'écoulement primaire vers l'extérieur en sortie de veine primaire dans le conduit d'éjection. La figure 5 présente une répartition radiale des températures T typique pour un écoulement primaire en sortie de la turbine basse pression. Le rayon y est donné en pourcentage de la largeur de veine entre la paroi interne la et la paroi externe lb. Le profil des températures de l'écoulement primaire présente un maximum dans la direction radiale, sensiblement vers le milieu de la veine. En positionnant le bord d'attaque du déflecteur à un rayon Ra, inférieur à ceux correspondant à la zone la plus chaude dans le profil des températures du fluide issu de la turbine basse pression, on redirige toute la zone chaude de l'écoulement primaire dans le secteur du déflecteur vers la zone froide. Dans l'exemple présenté, le bord d'attaque de l'aileron est positionné à un rayon Ra, correspondant à 30% de la largeur de veine, à partir de la paroi interne la. Bien sûr cette position radiale peut faire l'objet d'optimisations.

La périodicité du dispositif en azimut et l'envergure des ailerons constituent également des paramètres influençant l'efficacité du dispositif. La figure 6 montre en perspective, la fin de la veine primaire avec une configuration particulière périodique où les bras structuraux sont répartis tous les 40° autour de l'axe LL', l'extension angulaire en azimut de l'aileron déflecteur étant de 20°. Cette répartition crée donc une alternance de secteurs de 20° autour de l'axe LL' entre lesquels l'écoulement sera dévié ou pas vers l'extérieur, en sortie de la veine. Il s'agit bien sûr d'une mise en oeuvre particulière adaptée à certaines contraintes de réalisation de la turbomachine. Il fait partie de l'invention d'adapter le principe d'alternance en azimut des zones de déviation aux contraintes spécifiques à la turbomachine considérée. De même, la taille de ces secteurs pour améliorer les effets de mélange est faite en calculant l'écoulement obtenu pour diverses géométries respectant ces contraintes de conception. Dans une variante de réalisation du dispositif on peut encore ajouter un effet de mélange entre les deux écoulements. Il est connu, voir par exemple FR 2 626 044, dans la conception des turbomachines d'utiliser des écopes pour prélever une partie d'un écoulement dans une veine à diverses fins. Dans la présente variante, présentée sur la figure 7, une écope 6 est placée dans l'écoulement secondaire en amont de la position des ailerons 4. Amené par des canalisations annexes 7 passant dans les bras structuraux 3, cet air froid est injecté dans l'écoulement primaire au bord de fuite 8 des ailerons. Cette configuration présente l'avantage d'augmenter la surface de contact entre les écoulements et de répartir cette surface de mélange complémentaire de manière azimutale. De plus, comme on l'a vu, les ailerons sont placés dans la région de la veine où l'écoulement primaire est le plus chaud. On augmente donc d'autant les échanges thermiques. Dans une seconde variante de mise en oeuvre, ce dispositif est combiné avec une modification des surfaces la et 2b de façon à créer des lobes à l'arrière du carter interne au niveau de la confluence. Dans ce cas, la forme des lobes est ajustée de manière à amplifier l'alternance entre secteurs angulaires de convergence et de divergence imprimée par les déflecteurs (4).

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de mélange dans un conduit d'éjection d'un écoulement primaire et d'un écoulement secondaire, les deux écoulements débouchant dans ledit conduit d'éjection par deux veines coaxiales, et l'écoulement secondaire entourant l'écoulement primaire, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer au moins un moyen (4) de déflection radiale divergente dans la veine de l'écoulement primaire, près de son extrémité aval en étant écarté des parois de ladite veine.
2. 2. Procédé de mélange selon la revendication précédente dans lequel il est organisé une alternance, en azimut autour de l'axe des veines, de zones où l'écoulement primaire est défléchi et de zones où il ne l'est pas.
3. 3. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé de mélange selon l'une des revendications précédentes comportant au moins ledit moyen de déflection (4) ainsi qu'au moins un moyen de fixation (3) dudit moyen de déflection apte à le positionner dans la veine primaire.
4. 4. Turbomachine à deux ou plusieurs flux, comprenant au moins un écoulement primaire et un écoulement secondaire, les deux écoulements débouchant dans un conduit d'éjection par deux veines coaxiales, l'écoulement secondaire entourant l'écoulement primaire, la dite turbomachine étant équipée d'un dispositif apte à défléchir le fluide primaire pour mélanger les deux écoulements selon la revendication précédente.
5. 5. Turbomachine selon la revendication précédente dans laquelle le moyen de déflection est constitué d'un aileron (4) dont le profil, dans au moins un plan par l'axe de la veine primaire et ledit aileron, est cambré dans la direction opposée à l'axe de la veine primaire.
6. 6. Turbomachine selon l'une des revendications 4 et 5 présentant un profil radial des températures de l'écoulement primaire avec un maximum écarté des parois de la veine primaire caractérisée en ce que le moyen de déflection (4) est positionné de telle sorte que son extrémité amont se trouve à un rayon inférieur à celui du maximum des températures.
7. 7. Turbomachine selon l'une des revendications 4 à 6 comprenant des bras structuraux (3) dans l'extrémité aval de la veine primaire, dans laquelle chaque bras structural constitue le moyen de fixation d'un moyen de déflection.
8. 8. Turbomachine selon la revendication précédente dans laquelle le moyen de déflection est un aileron qui s'étend de manière symétrique de part et d'autre du bras structural.
9. 9. Turbomachine selon la revendication 8 dans lequel la section de la veine primaire est circulaire et les moyens de déflection sont répartis angulairement autour de l'axe de l'écoulement de manière périodique, l'extension angulaire en azimut de chaque moyen de déflection étant égale à une demi-période.
10. 10. Turbomachine selon l'une des revendications 4 à 9 intégrant un moyen de prélèvement d'air dans l'écoulement secondaire et au moins un conduit de cet air prélevé débouchant au bord de fuite du moyen de déflection axiale.