FR3009026A1 - Corps central d'echappement pour une turbomachine - Google Patents

Corps central d'echappement pour une turbomachine Download PDF

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Abstract

Corps central (12'') d'échappement pour une turbomachine, comprenant une partie aval (26) tronquée, qui est reliée à une partie amont (24) par une arête annulaire (22) marquant une discontinuité entre les surfaces externes des parties amont et aval, la surface externe de la partie aval ayant une forme générale sensiblement conique dont le sommet (29) est orienté vers l'aval et est situé au niveau de l'axe A, la demi-section axiale de cette surface externe définissant une ligne dont la partie d'extrémité amont est sensiblement tangent à une droite (28) passant par l'arête précitée et formant un angle α non nul avec une tangente (30) à la surface externe de la partie amont, au niveau de l'arête, et dont la partie d'extrémité aval est sensiblement tangent à une droite (32) passant par le sommet précité et formant un angle β non nul avec l'axe A.

Description

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un corps central d'échappement pour une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. ETAT DE L'ART Un corps central d'échappement, aussi appelé cône d'échappement (en anglais plug) est situé à l'aval de la turbomachine et est en général entouré par la tuyère de la turbomachine, définissant avec cette dernière une veine d'évacuation des gaz de combustion du moteur. Un corps central a en général une forme générale conique dont le sommet est orienté vers l'aval et dont l'extrémité amont est fixée à un carter d'échappement de la turbomachine.
On a déjà proposé de raccourcir axialement le corps central d'échappement d'une turbomachine, en particulier pour en réduire la masse et diminuer les risques dynamiques en cas de balourd. Cependant, dans le cadre de calculs effectués pour estimer les performances d'un tel corps raccourci, il a été constaté que le corps raccourci génère des décollements importants de l'écoulement du flux de gaz. De tels décollements affectent les performances de la turbomachine. La demande de brevet FR 12 57739 de la demanderesse décrit notamment un corps central d'échappement raccourci et apporte une solution alternative limitant ces décollements, par l'aspiration de couche limite d'un flux d'air circulant à la surface externe du corps. Les décollements précités entraînent un risque sur la dynamique d'ensemble du moteur car ils peuvent créer des vibrations de par leur caractère instationnaire (la position axiale du front de décollement pouvant varier sur la surface externe du corps).
La présente invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes.
EXPOSE DE L'INVENTION L'invention propose un corps central d'échappement d'échappement pour une turbomachine, ayant une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal A, caractérisé en ce qu'il comprend une partie annulaire amont et une partie annulaire aval tronquée, ladite partie annulaire aval étant reliée à la partie annulaire amont par une arête annulaire marquant une discontinuité de courbure entre les surfaces externes des parties annulaires amont et aval, la surface externe de la partie aval ayant une forme générale sensiblement conique dont le sommet est orienté vers l'aval et est situé sensiblement au niveau de l'axe A, la demi-section axiale de cette surface externe définissant une ligne dont la partie d'extrémité amont est sensiblement tangente à une première droite passant par l'arête annulaire et formant un angle a non nul avec une tangente à la surface externe de la partie amont, au niveau de l'arête annulaire, la partie d'extrémité aval de ladite ligne étant sensiblement tangente à une deuxième droite passant par le sommet précité et formant un angle R sensiblement non nul avec l'axe A. Selon l'invention, le corps central d'échappement comprend une troncature aval, c'est-à-dire qu'il comprend deux parties axiales, respectivement amont et aval, qui sont délimitées l'une de l'autre par une 20 arête annulaire marquée, vive ou non. Cette arête marque une discontinuité, en particulier de courbure, entre les surfaces externes de ces parties amont et aval. Bien que cette arête puisse avoir un sommet arrondi convexe, elle ne constitue pas une zone de lissage et de raccordement progressif entre les parties amont et aval. Au contraire, elle marque une 25 nette interruption de courbure de la partie amont du corps central. L'invention permet de définir précisément la position axiale amont des décollements de flux, cette position correspondant à celle de l'arête du corps central. En effet, l'arête crée une zone annulaire favorisant les décollements de flux et limitant voire empêchant le déplacement du front de 30 la zone de décollement de flux, ce qui se traduit par une réduction significative des vibrations.
La partie tronquée du corps est conçue pour optimiser les performances de la turbomachine et en particulier pour maximiser la récupération de pression sur le corps, qui participe à la poussée du moteur. La forme de cette partie tronquée est définie dans une demi-section axiale de la surface externe de cette partie, c'est-à-dire par la trace ou ligne laissée par l'intersection de sa surface externe avec un demi-plan passant par l'axe longitudinal du corps (et traversant une moitié supérieure ou inférieure du corps). Chaque trace ou ligne s'étend depuis l'arête précitée vers l'intérieur et vers l'aval, jusqu'à l'axe A.
La ligne précitée peut avoir une forme sensiblement ondulée. Elle peut présenter une concavité orientée vers l'aval dans sa partie d'extrémité amont et une convexité orientée vers l'aval dans sa partie d'extrémité aval. La ligne peut être obtenue par interpolation polynomiale. L'angle a peut être compris entre 20 et 90°, de préférence entre 30 et 70°, et plus préférentiellement entre 35 et 55°. L'angle R peut être compris entre 10 et 90°, de préférence entre 40 et 80°, et plus préférentiellement entre 50 et 70°. La présente invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps central tel que décrit ci-dessus. La présente invention concerne encore un procédé de conception d'un corps central d'échappement pour une turbomachine, ce corps central ayant une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal A, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a) déterminer une position sur l'axe A, en aval de laquelle le corps comprendra une partie tronquée et au niveau de laquelle le corps présentera une arête annulaire marquant une discontinuité de courbure entre les surfaces externes des parties amont et aval du corps, et a) concevoir la partie aval tronquée du corps, la surface externe de cette partie ayant une forme générale sensiblement conique dont le sommet est orienté vers l'aval et est situé sensiblement au niveau de l'axe A, la demi-section axiale de cette surface externe définissant une ligne dont la partie d'extrémité amont est sensiblement tangent à une première droite passant par l'arête précitée et formant un angle a non nul avec une tangente à la surface externe de la partie amont, au niveau de l'arête, et dont la partie d'extrémité aval est sensiblement tangente à une deuxième droite par le sommet précité et formant un angle sensiblement non nul avec l'axe A. L'étape a) peut comprendre des sous-étapes consistant à déterminer par calcul une zone annulaire de décollement de l'écoulement de flux de gaz en fonctionnement sur le corps central d'échappement, et à choisir la position sur l'axe X comme étant la position axiale la plus amont de la zone de décollement. Ce calcul peut être réalisé sur la base d'un corps central d'échappement non tronquée. Le corps central d'échappement à partie aval tronqué peut avoir une longueur totale le long de l'axe X, qui est sensiblement égale à celle du corps central qui a servi de base au calcul. DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue très schématique en coupe axiale de deux corps d'échappement de turbomachine, l'un conique et l'autre bombé, - la figure 2 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'un corps d'échappement et d'une tuyère d'éjection d'une turbomachine, - la figure 3 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'un corps d'échappement de turbomachine, ce corps ayant une partie aval tronquée, - la figure 4 est une vue schématique en perspective des décollements de l'écoulement de flux autour du corps d'échappement à partie aval tronquée, 30 - la figure 5 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'un corps d'échappement de turbomachine selon l'invention, - la figure 6 est une vue schématique en perspective des décollements de l'écoulement de flux autour du corps d'échappement selon l'invention, et - la figure 7 est un organigramme représentant des étapes du procédé selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 représente de manière très schématique des corps centraux 10, 12 d'échappement pour des turbomachines, telles que des turboréacteurs ou des turbopropulseurs d'avion, le corps 10 ayant une forme conique et le corps 12 ayant une forme bombée. Ces corps 10, 12 ont une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal A, leurs sommets étant orientés vers l'aval et leurs extrémités amont étant chacune destinées à être en général fixées à un carter d'échappement de la turbomachine. L'aval et l'amont font référence au sens d'écoulement de l'air dans la turbomachine.
Comme expliqué dans ce qui précède, le corps 12, qui a une longueur ou dimension axiale plus faible, a l'avantage d'avoir une masse moins importante. Cependant, ce corps 12 favorise les décollements de l'écoulement du flux de gaz en sortie de la turbomachine, comme cela est visible en figure 2.
Cette figure 2 montre un corps central 12 bombé entouré par une tuyère d'éjection 14 de la turbomachine et qui définit avec cette tuyère une veine annulaire 16 d'évacuation des gaz de combustion de la turbomachine. La référence 18 désigne les décollements importants en aval du corps central 12 (obtenus par une carte de champs de MACH). Ces décollements 18 affectent les performances de la turbomachine et leur front (c'est-à-dire la position axiale X1 la plus amont de la zone de décollement) a tendance à se déplacer axialement, ce qui génère des vibrations importantes affectant la dynamique d'ensemble du moteur. Les inventeurs ont constaté que le front de la zone de décollement 30 pouvait être empêché de se déplacer en le « fixant » au niveau d'une arête annulaire du corps central. Pour cela, et comme cela est schématiquement représenté en figure 3, la partie aval du corps central 12 est tronquée. Dans l'exemple représenté, les traits pointillés délimitent le contour d'un corps central 12 du type bombé et les traits continus délimitent le contour du corps central 12' à partie aval tronquée. Ce corps central 12' présente une face radiale aval 20 à contour circulaire qui est reliée par une arête annulaire 22 à la partie amont du corps, dont la surface externe a une courbure similaire à celle de la partie amont du corps 12 de la figure 2. L'arête 22 s'étend autour de l'axe A et marque nettement une discontinuité entre la courbure de la surface externe de la partie amont et celle de la partie aval. Elle est destinée à provoquer un décollement de l'écoulement du flux de gaz, dont le front est ainsi positionné axialement (en X2) de façon précise et ne peut sensiblement pas se déplacer axialement. En pratique, la position axiale X2 de l'arête 22 sur le corps central 12' est déterminée par calcul. Il faut dans un premier temps déterminer le comportement du corps 12' à différents points de vol (décollage, atterrissage, croisière) et en déduire la position axiale la plus amont du front de la zone de décollement. L'arête 22 est alors positionnée axialement dans cette position axiale ou légèrement en amont de cette position.
La figure 4 est une carte de champs de MACH d'un corps central tronqué 12'. Les inventeurs ont optimisé la forme de la partie aval tronquée du corps central de façon à optimiser les performances de la turbomachine et en particulier, améliorer ses performances aérodynamiques en maximisant notamment la récupération de pression sur le corps. Les figures 5 et 6 représentent un corps central 12" optimisé selon l'invention. La partie amont 24 du corps 12" peut être identique à une partie annulaire d'un corps central 12 de la technique antérieure. La partie aval 26 est reliée par son extrémité amont à la partie amont 24 par une arête 22 du type de celle décrite dans ce qui précède et qui a une position axiale X2 déterminée comme expliqué ci-dessus. La forme et la conception de cette partie aval 26 seront décrites en détail dans ce qui suit. L'arête 22 peut être vive ou être à section arrondie convexe. La longueur axiale du corps central 12" selon l'invention peut être identique à celle du corps central 12 bombée de la technique antérieure.
Dans ce cas, et comme cela est schématiquement représenté en figure 5, le sommet de la partie aval 26 tronquée du corps 12" a une position axiale X3 qui est identique à celle du sommet du corps 12. La partie aval 26 du corps 12" a une forme générale conique dont le sommet 29 est orienté vers l'aval. L'intersection entre un plan passant par l'axe A et la surface externe de cette partie aval 26 est une ligne dont la moitié supérieure (visible en figure 5) est symétrique à sa moitié inférieure par rapport à l'axe A, du fait de la symétrie de révolution du corps 12" autour de l'axe A. La partie de cette ligne représentée en figure 5 comprend une partie d'extrémité amont radialement externe qui s'étend radialement vers l'intérieur et vers l'aval depuis l'arête 22 et qui est tangent à une droite 28 passant par l'arête 22 et formant un angle a avec une tangente 30 à la surface externe de la partie amont 24, au niveau de l'arête 22. La partie d'extrémité aval radialement interne de la ligne s'étend radialement vers l'extérieur et vers l'amont depuis le sommet 29, et est tangent à une droite 32 passant par le sommet et formant un angle [3 avec l'axe A. Les arêtes sont ici mesurées depuis l'aval. La ligne précitée a une forme générale ondulée qui est obtenue par interpolation polynomiale, par exemple au moyen d'une courbe de Bézier.
Dans l'exemple représenté, la ligne présente une concavité orientée vers l'aval dans sa partie d'extrémité amont et une convexité orientée vers l'aval dans sa partie d'extrémité aval. Dans un exemple particulier et non limitatif de réalisation de l'invention, l'angle a est de l'ordre de 45° et l'angle [3 est de l'ordre de 61°.
Des calculs de performances ont démontré que le corps central 12" a de meilleures performances aérodynamiques et un meilleur coefficient de poussée que le corps 12' en particulier car la récupération de pression est supérieure sur ce corps 12". La figure 6 est une carte de champs de MACH d'un corps central d'échappement 12" selon l'invention. La figure 7 représente un mode de réalisation du procédé selon l'invention, qui comprend essentiellement deux étapes 34 et 36. L'étape 34 consiste notamment à déterminer la position X2 sur l'axe A, en aval de laquelle le corps 12" comprend la partie tronquée 26 et au niveau de laquelle le corps présent l'arête annulaire 22. Cette étape 34 peut comprendre deux sous-étapes 38, 40 consistant notamment à déterminer par calcul une zone annulaire de décollement de l'écoulement du flux de gaz en fonctionnement sur le corps, et à choisir la position X2 sur l'axe X comme étant la position axiale la plus amont de la zone de décollement. L'étape 36 consiste notamment à concevoir la partie aval tronquée du corps, comme décrit précédemment.15

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Corps central (12") d'échappement pour une turbomachine, ayant une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal A, caractérisé en ce qu'il comprend une partie annulaire amont (24) et une partie annulaire aval (26) tronquée, ladite partie annulaire aval étant reliée à la partie annulaire amont (24) par une arête annulaire (22) marquant une discontinuité de courbure entre les surfaces externes des parties annulaires amont et aval, la surface externe de la partie aval ayant une forme générale sensiblement conique dont le sommet (29) est orienté vers l'aval et est situé sensiblement au niveau de l'axe A, la demi-section axiale de cette surface externe définissant une ligne dont la partie d'extrémité amont est sensiblement tangente à une première droite (28) passant par l'arête annulaire (22) et formant un angle a non nul avec une tangente (30) à la surface externe de la partie amont, au niveau de l'arête annulaire (22), la partie d'extrémité aval de ladite ligne étant sensiblement tangente à une deuxième droite (32) passant par le sommet précité (29) et formant un angle [3 sensiblement non nul avec l'axe A.
  2. 2. Corps central selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne a une forme sensiblement ondulée.
  3. 3. Corps central selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la ligne présente une concavité orientée vers l'aval dans sa partie d'extrémité amont et une convexité orientée vers l'aval dans sa partie d'extrémité aval.
  4. 4. Corps central selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle a est compris entre 20 et 90°, de préférence entre 30 et 70°, et plus préférentiellement entre 35 et 55°, et/ou l'angle f3 est compris entre 10 et 90°, de préférence entre 40 et 80°, et plus préférentiellement entre 50 et 70°.
  5. 5. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps central (12") selon l'une des revendications précédentes.
  6. 6. Procédé de réalisation d'un corps central (12") d'échappement pour une turbomachine, ce corps central ayant une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal A, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a) déterminer une position (X2) sur l'axe A, en aval de laquelle le corps comprendra une partie tronquée (26) et au niveau de laquelle le corps présentera une arête annulaire (22) marquant une discontinuité de courbure entre les surfaces externes des parties amont (24) et aval (26) du corps, b) concevoir la partie aval tronquée du corps, la surface externe de cette partie ayant une forme générale sensiblement conique dont le sommet (29) est orienté vers l'aval et est situé sensiblement au niveau de l'axe A, la demi-section axiale de cette surface externe définissant une ligne dont la partie d'extrémité amont est sensiblement tangent à une première droite (28) passant par l'arête (22) précitée et formant un angle a non nul avec une tangente (30) à la surface externe de la partie amont, au niveau de l'arête (22), et dont la partie d'extrémité aval est sensiblement tangente à une deuxième droite (32) passant par le sommet précité (29) et formant un angle 13 sensiblement non nul avec l'axe A, et c) réaliser le corps central.
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape a) comprend des sous-étapes consistant à déterminer par calcul une zone annulaire de décollement de l'écoulement du flux de gaz en fonctionnement sur le corps central (12) d'échappement, et à choisir la position (X2) sur l'axe X comme étant la position axiale la plus amont de la zone de décollement.. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le calcul est réalisé sur la base d'un corps central (12) d'échappement non tronqué. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le corps central (12") d'échappement à partie aval tronquée a une longueur totale le long de l'axe X sensiblement égale à celle du corps central (12) ayant servi de base au calcul. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne est obtenue par interpolation polynomiale.
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