FR3025255A1 - EXHAUST TUBE OF TURBOMOTING GAS - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une tuyère d'échappement de gaz de turbomoteur, comprenant une paroi extérieure et une paroi intérieure délimitant entre elles une veine d'écoulement des gaz d'échappement, la paroi intérieure formant un corps central tronconique orienté dans une direction longitudinale La tuyère est caractérisée en ce que le corps (32) central comprend des moyens (44) de guidage des gaz d'échappement le long de la direction longitudinale sur au moins une partie de la longueur du corps (32) central dans le sens de l'écoulement des gaz.The invention relates to a gas turbine engine exhaust nozzle comprising an outer wall and an inner wall delimiting between them an exhaust gas flow channel, the inner wall forming a frustoconical central body oriented in a longitudinal direction. nozzle is characterized in that the central body (32) comprises means (44) for guiding the exhaust gases along the longitudinal direction over at least a part of the length of the central body (32) in the direction of the flow of gases.
Description
1 TUYÈRE D'ÉCHAPPEMENT DE GAZ DE TURBOMOTEUR 1. Domaine technique de l'invention L'invention concerne une tuyère d'échappement de gaz de turbomoteur. En particulier, l'invention concerne une tuyère d'échappement de gaz d'un turbomoteur d'un aéronef. 2. Arrière-plan technologique L'un des objectifs des échappements de gaz d'un turbomoteur d'un aéronef est l'évacuation des gaz brûlés ayant traversés une ou plusieurs turbines, et la ventilation de la baie moteur pour la tenue thermique des équipements. Les performances aérodynamiques des échappements en sortie de la turbine libre sont étroitement liées aux performances du moteur installé. La performance d'un échappement se caractérise par sa capacité à transformer la pression dynamique en sortie de la turbine libre en une pression statique, cette transformation étant couramment appelée la diffusion. Plus cette diffusion est importante dans l'échappement et plus le taux de détente de l'étage de la turbine augmente, contribuant à augmenter la puissance délivrée par le turbomoteur. La tuyère (élément de l'échappement en sortie de la turbine et en amont de l'éjecteur) est responsable de plus de trois quarts de la diffusion dans l'échappement. Ainsi l'optimisation des performances aérodynamiques de la tuyère impacte directement la consommation spécifique du turbomoteur. La grandeur aérodynamique liée aux performances de l'échappement que l'on cherche à améliorer est le coefficient de récupération de pression statique (CP), qui se définit par : Pst - Pstat(entrée) AP cp at(sortie) stat(entree) stat(échappement) Ptot(entrée) Pstat(entrée) dyn(entrée) avec Pstat(entrée) stat(entrée) la pression statique en entrée de l'échappement, P - stat(sortie) la pression statique en sortie de l'échappement, P - dyn(entrée) la pression dynamique en entrée de l'échappement et P - tot(entrée) la pression totale en entrée de l'échappement, égale à la somme de Pstat(entrée) stat(entrée) et de P - dyn(entrée)- L'entrée de l'échappement correspond à la sortie de la turbine libre.TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The invention relates to a gas turbine engine exhaust nozzle. In particular, the invention relates to a gas exhaust nozzle of a turbine engine of an aircraft. 2. Technological background One of the objectives of the exhaust gas of a turbine engine of an aircraft is the evacuation of the flue gases having passed through one or more turbines, and the ventilation of the engine bay for the thermal behavior of the equipment. . The aerodynamic performance of the exhausts at the outlet of the free turbine are closely related to the performance of the engine installed. The performance of an escapement is characterized by its ability to transform the dynamic pressure at the exit of the free turbine into a static pressure, this transformation being commonly called diffusion. The greater this diffusion in the exhaust and the higher the expansion rate of the turbine stage, contributing to increase the power delivered by the turbine engine. The nozzle (exhaust element at the outlet of the turbine and upstream of the ejector) is responsible for more than three quarters of the diffusion in the exhaust. Thus, the optimization of the aerodynamic performance of the nozzle directly impacts the specific consumption of the turbine engine. The aerodynamic magnitude related to the performance of the escapement that one seeks to improve is the coefficient of static pressure recovery (CP), which is defined by: Pst - Pstat (input) AP cp at (output) stat (input) stat (exhaust) Ptot (input) Pstat (input) dyn (input) with Pstat (input) stat (input) the static pressure at the exhaust input, P - stat (output) the static pressure at the outlet of the exhaust , P - dyn (input) the dynamic pressure at the input of the exhaust and P - tot (input) the total pressure at the input of the exhaust, equal to the sum of Pstat (input) stat (input) and P - dyn (input) - The exhaust input corresponds to the output of the free turbine.
3025255 2 L'adaptation géométrique de la tuyère est primordiale pour l'optimisation des performances de la tuyère. A certains régimes, un décollement aérodynamique (non rattachement de l'écoulement à la paroi) apparaît, ce qui contribue à réduire la section aérodynamique débitante et la diffusion. Cela entraine une diminution du coefficient de 5 récupération de la pression statique par une augmentation de la pression dynamique et par une diminution de la pression statique en entrée de l'échappement, et donc à une diminution des performances. Les solutions existantes proposent des modifications géométriques qui ont un impact important sur la masse totale de la tuyère. En particulier, l'intégration de 10 géométries exotiques sur la paroi extérieure de la tuyère (de type « tuyères à pétales ») s'accompagne d'une augmentation de la masse du système. 3. Objectifs de l'invention L'invention vise à pallier au moins certains des inconvénients des tuyères d'échappement de gaz connus.3025255 2 The geometric adaptation of the nozzle is essential for optimizing the performance of the nozzle. At certain speeds, an aerodynamic detachment (non-attachment of the flow to the wall) appears, which contributes to reducing the flowable aerodynamic section and the diffusion. This results in a decrease in the coefficient of recovery of the static pressure by an increase in the dynamic pressure and a decrease in the static pressure at the inlet of the exhaust, and therefore in a decrease in performance. Existing solutions offer geometric modifications that have a significant impact on the total mass of the nozzle. In particular, the integration of 10 exotic geometries on the outer wall of the nozzle (of the "petal nozzle" type) is accompanied by an increase in the mass of the system. 3. OBJECTIVES OF THE INVENTION The invention aims to overcome at least some of the disadvantages of known gas exhaust nozzles.
15 En particulier, l'invention vise à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, une tuyère d'échappement qui permet d'empêcher l'apparition de décollements aérodynamiques des gaz d'échappement. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, une tuyère d'échappement qui permet de réduire la pression dynamique et augmenter la 20 pression statique en sortie de turbine libre pour améliorer le coefficient de récupération de pression statique. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, une tuyère qui améliore les performances d'échappement sans augmenter la masse totale de la tuyère.In particular, the invention aims to provide, in at least one embodiment of the invention, an exhaust nozzle which makes it possible to prevent the appearance of aerodynamic detachments of the exhaust gases. The invention also aims to provide, in at least one embodiment, an exhaust nozzle which makes it possible to reduce the dynamic pressure and increase the static pressure at the free turbine outlet to improve the static pressure recovery coefficient. The invention also aims to provide, in at least one embodiment of the invention, a nozzle that improves the exhaust performance without increasing the total mass of the nozzle.
25 L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, une tuyère qui améliore les performances d'échappement tout en réduisant la masse totale de la tuyère d'échappement. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, une tuyère qui contribue à une réduire la consommation de carburant du moteur auquel elle 30 est reliée. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, une 3025255 3 tuyère qui présente un cout de fabrication réduit par rapport aux tuyères de l'art antérieur. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, une tuyère qui s'adapte à la plupart des turbomoteurs.The invention also aims to provide, in at least one embodiment of the invention, a nozzle which improves the exhaust performance while reducing the total mass of the exhaust nozzle. The invention also aims to provide, in at least one embodiment, a nozzle which contributes to reducing the fuel consumption of the engine to which it is connected. The invention also aims to provide, in at least one embodiment, a nozzle which has a reduced cost of manufacture compared to nozzles of the prior art. The invention also aims to provide, in at least one embodiment, a nozzle that fits most turbine engines.
5 L'invention vise aussi à fournir un turbomoteur équipé d'une tuyère selon l'invention. 4. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention concerne une tuyère d'échappement de gaz de turbomoteur, comprenant une paroi extérieure et une paroi intérieure délimitant entre 10 elles une veine d'écoulement des gaz d'échappement, la paroi intérieure formant un corps central tronconique s'étendant le long d'une direction, dite direction longitudinale. La tuyère selon l'invention est caractérisée en ce que le corps central comprend des moyens de guidage des gaz d'échappement le long de ladite direction longitudinale 15 s'étendant au moins partiellement le long dudit corps central. Une tuyère d'échappement de gaz selon l'invention permet donc la réduction du décollement aérodynamique en guidant les gaz d'échappement dans la direction de la veine d'écoulement des gaz d'échappement, depuis la sortie de la turbine libre vers l'extérieur du turbomoteur. Le guidage des gaz le long de la direction longitudinale est 20 obtenu par l'aménagement de moyens de guidage sur le corps central tronconique de la tuyère. Le guidage des gaz d'échappement le long de la direction longitudinale permet aussi de réduire la pression dynamique engendrée par une composante tangentielle de la vitesse des gaz en sortie de la turbine libre, cette composante tangentielle, orthogonale à la direction longitudinale, étant due à la rotation de la turbine libre. La 25 réduction de cette pression dynamique engendre une augmentation de la pression statique du fait de la conservation de la pression totale, et donc une augmentation du coefficient de récupération de pression. Le turbomoteur est ainsi plus performant, ce qui entraine par ailleurs une diminution de la consommation. Avantageusement et selon l'invention, lesdits moyens de guidage des gaz 30 d'échappement sont répartis sur au moins une partie du pourtour dudit corps central. Avantageusement et selon l'invention, les moyens de guidage sont répartis 3025255 4 uniformément sur le pourtour du corps central. Selon cet aspect de l'invention, la réduction du décollement aérodynamique et de la pression dynamique est uniforme sur l'ensemble du contour du corps central. Avantageusement et selon l'invention, lesdits moyens de guidage sont formés 5 sur une portion distale dudit corps central selon le sens d'écoulement des gaz, sur une distance comprise entre la moitié et un tiers de la longueur totale du corps central. Avantageusement et selon l'invention, lesdits moyens de guidage des gaz d'échappement sont formés de cannelures longitudinales. Selon cet aspect de l'invention, les cannelures permettent de former les moyens 10 de guidage sans ajout d'éléments nouveaux, donc sans ajout de matière et sans ajout de masse. Les cannelures sont par exemple directement formées par la paroi intérieure de la tuyère. Avantageusement et selon l'invention, les cannelures présentent une profondeur qui varie entre une valeur minimale, dite profondeur de départ, dans une 15 portion proximale du corps central selon le sens d'écoulement des gaz, et une valeur maximale, dite profondeur de sortie, dans une portion distale du corps central selon le sens d'écoulement des gaz. Selon cet aspect de l'invention, le guidage des gaz par des cannelures présentant une profondeur variant progressivement d'une portion proximale du corps central - 20 notamment une extrémité proximale- à une portion distale du corps central - notamment une extrémité distale- permet ne pas créer de changement abrupt de surface. La variation progressive de la profondeur entre une portion proximale et une portion distale du corps central, permet en outre d'obtenir en sortie des moyens de guidage, des gaz dirigés en grande partie dans le sens de l'écoulement et de la direction 25 longitudinale. Avantageusement et selon l'invention, la profondeur de départ est comprise entre 0,5mm et 1,2mm. Avantageusement et selon l'invention, la profondeur de sortie est comprise entre 6mm et 15mm.The invention also aims to provide a turbine engine equipped with a nozzle according to the invention. 4. DESCRIPTION OF THE INVENTION To this end, the invention relates to a gas turbine engine exhaust nozzle, comprising an outer wall and an inner wall delimiting between them an exhaust gas flow channel, the wall inner forming a frustoconical central body extending along a direction, said longitudinal direction. The nozzle according to the invention is characterized in that the central body comprises exhaust gas guiding means along said longitudinal direction extending at least partially along said central body. A gas exhaust nozzle according to the invention therefore makes it possible to reduce the aerodynamic detachment by guiding the exhaust gases in the direction of the exhaust gas flow line, from the outlet of the free turbine to the outside of the turbine engine. The guiding of the gases along the longitudinal direction is obtained by the arrangement of guiding means on the frustoconical central body of the nozzle. The guiding of the exhaust gases along the longitudinal direction also makes it possible to reduce the dynamic pressure generated by a tangential component of the gas velocity at the outlet of the free turbine, this tangential component, orthogonal to the longitudinal direction, being due to the rotation of the free turbine. The reduction of this dynamic pressure causes an increase in the static pressure due to the conservation of the total pressure, and therefore an increase in the pressure recovery coefficient. The turbine engine is thus more efficient, which also leads to a decrease in consumption. Advantageously and according to the invention, said exhaust gas guiding means 30 are distributed over at least a portion of the periphery of said central body. Advantageously and according to the invention, the guide means are uniformly distributed around the perimeter of the central body. According to this aspect of the invention, the reduction of the aerodynamic detachment and the dynamic pressure is uniform over the entire contour of the central body. Advantageously and according to the invention, said guide means are formed on a distal portion of said central body in the direction of flow of the gases, over a distance of between one half and one third of the total length of the central body. Advantageously and according to the invention, said exhaust gas guiding means are formed of longitudinal grooves. According to this aspect of the invention, the grooves make it possible to form the guide means 10 without the addition of new elements, therefore without addition of material and without addition of mass. The grooves are for example directly formed by the inner wall of the nozzle. Advantageously and according to the invention, the grooves have a depth which varies between a minimum value, called the starting depth, in a proximal portion of the central body in the direction of flow of the gases, and a maximum value, called the exit depth. in a distal portion of the central body in the direction of gas flow. According to this aspect of the invention, the guiding of the gases by grooves having a depth varying progressively from a proximal portion of the central body - in particular a proximal end - to a distal portion of the central body - in particular a distal end - allows not create abrupt surface changes. The gradual variation of the depth between a proximal portion and a distal portion of the central body also makes it possible to obtain, at the outlet, guiding means, gases directed largely in the direction of flow and in the longitudinal direction. . Advantageously and according to the invention, the starting depth is between 0.5mm and 1.2mm. Advantageously and according to the invention, the output depth is between 6mm and 15mm.
30 Avantageusement et selon l'invention, les cannelures présentent une section droite transversale arrondie selon un rayon de courbure qui varie entre une valeur minimale, dite rayon de départ, dans une portion proximale du corps central selon le 3025255 5 sens d'écoulement des gaz, et une valeur maximale, dite rayon de sortie, dans une portion distale du corps central selon le sens d'écoulement des gaz. Selon cet aspect de l'invention, la réduction du rayon de courbure de chaque cannelure creusée dans le corps central permet un guidage progressif des gaz 5 d'échappement sans créer de changement abrupt de rayon pouvant provoquer des perturbations. Le rayon de sortie réduit par rapport au rayon de départ permet de guider le gaz en grande partie dans le sens de l'écoulement et dans la direction longitudinale. Avantageusement et selon l'invention, lesdites cannelures présentent un rayon 10 de sortie de 6mm. Avantageusement et selon l'invention, le corps central comprend entre seize et vingt cannelures de guidage des gaz d'échappement répartis sur le pourtour du corps central. L'invention concerne également un turbomoteur caractérisé en ce qu'il 15 comprend une tuyère d'échappement de gaz selon l'invention. L'invention concerne également une tuyère et un turbomoteur caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. 5. Liste des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la 20 lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est une représentation schématique d'un échappement de turbomoteur comprenant une tuyère selon l'état de la technique, la figure 2 est une représentation schématique d'une tuyère d'échappement selon 25 l'état de la technique, la figure 3 est une représentation schématique partielle d'un corps central d'une tuyère selon un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 4 est une représentation schématique partielle d'un corps central d'une tuyère selon le premier mode de réalisation de l'invention, 30 la figure 5 est une représentation schématique d'un corps central d'une tuyère selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, 3025255 6 la figure 6 est un ensemble de courbes représentant les variations du coefficient de récupération de pression statique et de la consommation spécifique des tuyères selon le deuxième mode de réalisation, la figure 7 est une représentation schématique d'un corps central d'une tuyère 5 selon un troisième mode de réalisation de l'invention, la figure 8 est un ensemble de courbes représentant les variations du coefficient de récupération de pression statique et de la consommation spécifique des tuyères selon le troisième mode de réalisation, 6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention 10 Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir 15 d'autres réalisations. La figure 1 représente schématiquement un échappement 10 de turbomoteur d'un aéronef selon l'état de la technique. L'échappement 10 est conçu pour améliorer les performances du turbomoteur principalement par diffusion des gaz d'échappement provenant de la combustion de gaz nécessaire au fonctionnement du turbomoteur. Les 20 gaz brulés par cette combustion permettent d'entrainer une turbine 12 libre en rotation, qui est généralement connectée à un arbre pour transmettre l'énergie de cette rotation et ainsi permettre la propulsion de l'aéronef dans lequel se trouve le turbomoteur, par exemple par l'intermédiaire d'une hélice. En sortie de cette turbine 12, les gaz brulés doivent être évacués par l'échappement 10, qui comprend notamment une tuyère 14 et 25 un éjecteur 16. Le gaz est évacué selon la direction indiquée par les flèches 18. L'écoulement des gaz se fait dans une veine 20 d'écoulement délimité à l'extérieur par une paroi 22 extérieure de la tuyère 14 puis par l'éjecteur 16. Au niveau de la jonction entre la tuyère 14 et l'éjecteur 16, une ou plusieurs entrées 24, 26 permettent l'arrivée d'air frais, représentée par les flèches 27 provenant d'une écope 28 formée dans un 30 capot 30 entourant et protégeant le turbomoteur. Au niveau de la sortie de la turbine 12 libre, la veine 20 d'écoulement des gaz est 3025255 7 délimitée à l'extérieur par la paroi 22 extérieure, et à l'intérieur par un corps 32 central, généralement de forme tronconique, dont l'axe est orienté dans la direction d'écoulement des gaz, dite direction longitudinale. Le corps 32 central est maintenu en position par des bras 34 structuraux fixés à la paroi 22 extérieure de la tuyère 14.Advantageously and according to the invention, the grooves have a round cross section rounded according to a radius of curvature which varies between a minimum value, called the starting radius, in a proximal portion of the central body according to the direction of flow of the gases. , and a maximum value, called the output radius, in a distal portion of the central body in the direction of gas flow. According to this aspect of the invention, the reduction of the radius of curvature of each groove dug in the central body allows a progressive guidance of the exhaust gases without creating an abrupt change of radius which can cause disturbances. The reduced exit radius with respect to the starting radius makes it possible to guide the gas substantially in the direction of flow and in the longitudinal direction. Advantageously and according to the invention, said grooves have an output radius of 6 mm. Advantageously and according to the invention, the central body comprises between sixteen and twenty flutes guiding the exhaust gas distributed around the perimeter of the central body. The invention also relates to a turbine engine characterized in that it comprises a gas exhaust nozzle according to the invention. The invention also relates to a nozzle and a turbine engine characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below. 5. List of Figures Other objects, features and advantages of the invention will appear on reading the following description given solely by way of non-limiting example and which refers to the appended figures in which: FIG. 1 is a diagrammatic representation of A turbine engine exhaust comprising a nozzle according to the prior art, FIG. 2 is a schematic representation of an exhaust nozzle according to the state of the art, FIG. 3 is a partial schematic representation of a The central body of a nozzle according to a first embodiment of the invention, FIG. 4 is a partial schematic representation of a central body of a nozzle according to the first embodiment of the invention, FIG. a schematic representation of a central body of a nozzle according to a second embodiment of the invention, FIG. 6 is a set of curves representing the variations of the static pressure recovery coefficient and the specific consumption of the nozzles according to the second embodiment, FIG. 7 is a schematic representation of a central body of a nozzle 5 according to a third embodiment of the invention, the FIG. 8 is a set of curves showing the variations in the coefficient of static pressure recovery and the specific nozzle consumption according to the third embodiment, 6. Detailed Description of an Embodiment of the Invention The following embodiments are examples. Although the description refers to one or more embodiments, this does not necessarily mean that each reference relates to the same embodiment, or that the features apply only to a single embodiment. Simple features of different embodiments may also be combined to provide other embodiments. FIG. 1 schematically represents a turbine engine exhaust 10 of an aircraft according to the state of the art. The exhaust 10 is designed to improve the performance of the turbine engine mainly by diffusion of exhaust gas from the combustion of gas necessary for the operation of the turbine engine. The gases burned by this combustion make it possible to drive a turbine 12 free in rotation, which is generally connected to a shaft for transmitting the energy of this rotation and thus to allow the propulsion of the aircraft in which the turbine engine is located, by example via a propeller. At the outlet of this turbine 12, the burnt gases must be discharged through the exhaust 10, which comprises in particular a nozzle 14 and an ejector 16. The gas is discharged in the direction indicated by the arrows 18. The flow of gases is made in a flow channel 20 delimited externally by an outer wall 22 of the nozzle 14 and then by the ejector 16. At the junction between the nozzle 14 and the ejector 16, one or more inlets 24, 26 allow the fresh air supply, represented by the arrows 27 from a scoop 28 formed in a cap 30 surrounding and protecting the turbine engine. At the outlet of the free turbine 12, the gas flow channel 20 is delimited externally by the outer wall 22, and inside by a central body 32, generally of frustoconical shape, of which the axis is oriented in the direction of flow of gas, said longitudinal direction. The central body 32 is held in position by structural arms 34 fixed to the outer wall 22 of the nozzle 14.
5 La figure 2 représente en vue rapprochée une tuyère 14 d'échappement selon l'état de la technique, telle que décrit en lien avec la figure 1. Les flèches référencées 36 représentent la veine 20 d'écoulement des gaz, délimitée par la paroi 22 extérieure et le corps 32 central tronconique. Le corps 32 central comporte une portion proximale 38, aussi désignée par les termes « partie amont », située du côté de la turbine 12 libre, et 10 une portion distale 40, aussi désignée par les termes « partie avale », située de l'autre côté. Dans la partie 40 avale du corps 32 central se produit un phénomène de décollement dans une zone 42 de décollement, dû à un détachement de l'écoulement de gaz de la surface du corps 32 central, entrainant une réduction de la diffusion et de la section aérodynamique de l'échappement dans laquelle la veine 20 d'échappement 15 circule. L'invention vise à résoudre ce problème. Pour cela, la figure 3 représente schématiquement et partiellement un corps 32 central d'une tuyère 14 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le corps 32 central comprend des moyens 44 de guidage le long de la direction longitudinale sur au moins une partie de la longueur du 20 corps 32 central dans le sens de l'écoulement des gaz. Les moyens 44 de guidage sont répartis sur au moins une partie du contour du corps 32 central, ici sur la totalité du contour du corps 32 central. Seule la partie supérieure du corps 32 central est représentée, la partie inférieure étant similaire car le corps 32 central est tronconique et les moyens 44 de guidage sont ici uniformément répartis sur la totalité du pourtour du 25 corps 32 central. L'écoulement des gaz s'effectue de la partie 38 amont vers la partie 40 avale du corps 32 central. La turbine 12 libre étant en rotation, les gaz brulés en sortie de cette turbine 12 arrivant au niveau de la partie 38 amont ne se propagent pas uniquement dans la direction longitudinale mais ont aussi une composante tangentielle dans le sens 30 de la rotation de la turbine 12. Sur la figure 3 sont représentés les vecteurs 46, 50 de vitesse des gaz d'échappement dans la partie 38 amont, dit vecteur 46 vitesse amont, et dans la partie 40 avale, dit vecteur 50 vitesse aval du corps 32 central. Les vecteurs 46, 3025255 8 50 ont chacun deux composantes, une composante longitudinale dans la direction longitudinale, c'est-à-dire dans le sens de l'écoulement des gaz, et une composante tangentielle dans une direction perpendiculaire à la direction longitudinale, due à la rotation de la turbine 12 libre. Le vecteur 46 vitesse amont se décompose en un vecteur 5 47 vitesse amont longitudinal et un vecteur 48 vitesse amont tangentiel, et le vecteur 50 vitesse aval se décompose en un vecteur 51 vitesse aval longitudinal et un vecteur 52 vitesse aval tangentiel. Les moyens 44 de guidage permettent la réduction de la composante tangentielle de ces vecteurs 46, 50 vitesse. Le vecteur 50 vitesse aval a en effet une 10 composante tangentielle réduite par rapport au vecteur 46 vitesse amont. La réduction de cette composante tangentielle permet la réduction du décollement aérodynamique en orientant l'écoulement des gaz sur la surface du corps 32 central dans la direction longitudinale, dans laquelle s'écoulent les gaz d'échappement plus éloignés du corps 32 central.FIG. 2 is a close-up view of an exhaust nozzle 14 according to the state of the art, as described with reference to FIG. 1. The arrows referenced 36 represent the gas flow vein 20 delimited by the wall. 22 outer and central body 32 frustoconical. The central body 32 has a proximal portion 38, also referred to as the "upstream portion", located on the side of the free turbine 12, and a distal portion 40, also referred to as "downstream portion", located from the other side. In the downstream portion 40 of the central body 32 occurs a peeling phenomenon in a zone 42 of detachment, due to a detachment of the gas flow from the surface of the central body 32, resulting in a reduction of the diffusion and the section aerodynamic exhaust in which the exhaust stream 15 flows. The invention aims to solve this problem. For this, Figure 3 shows schematically and partially a central body 32 of a nozzle 14 according to a first embodiment of the invention. The central body 32 includes guide means 44 along the longitudinal direction over at least a portion of the length of the central body 32 in the direction of gas flow. The guide means 44 are distributed over at least a portion of the contour of the central body 32, here over the entire contour of the central body 32. Only the upper part of the central body 32 is shown, the lower part being similar because the central body 32 is frustoconical and the guide means 44 are here uniformly distributed over the entire periphery of the central body 32. The flow of gases is from the upstream portion 38 to the downstream portion 40 of the central body 32. Since the free turbine 12 is rotating, the burnt gases at the outlet of this turbine 12 arriving at the upstream portion 38 do not propagate only in the longitudinal direction but also have a tangential component in the direction of rotation of the turbine. 12. In FIG. 3 are represented the vectors 46, 50 of the velocity of the exhaust gases in the upstream portion 38, said vector 46 upstream speed, and in the downstream portion 40, said vector 50 downstream velocity of the central body 32. The vectors 46, 3025255 8 50 each have two components, a longitudinal component in the longitudinal direction, that is to say in the direction of the gas flow, and a tangential component in a direction perpendicular to the longitudinal direction, due to the rotation of the free turbine 12. The upstream velocity vector 46 decomposes into a longitudinal upstream velocity vector and a tangential upstream velocity vector 48, and the downstream velocity vector 50 decomposes into a longitudinal downstream velocity vector 51 and a tangential downstream velocity vector 52. The guide means 44 allow the reduction of the tangential component of these vectors 46, 50 speed. The downstream velocity vector 50 has indeed a reduced tangential component with respect to the upstream velocity vector 46. The reduction of this tangential component allows the reduction of the aerodynamic detachment by orienting the flow of the gases on the surface of the central body 32 in the longitudinal direction, in which the exhaust gases farther away from the central body 32 flow.
15 La réduction de la composante tangentielle du vecteur vitesse a aussi pour effet de réduire la norme du vecteur vitesse du gaz d'échappement, c'est-à-dire de réduire la vitesse du gaz d'échappement. Cette réduction de la vitesse entraine une réduction de la pression dynamique, et donc une augmentation de la pression statique, par principe de conservation de la pression totale égale à la somme de la pression dynamique et de 20 la pression statique. L'augmentation de la pression statique et la diminution de la pression dynamique permettent alors l'augmentation du coefficient de récupération de pression statique, énoncé dans le préambule, ce qui permet d'augmenter la performance de l'échappement 10 et donc du turbomoteur. Les moyens 44 de guidage des gaz d'échappements sont formés dans ce mode 25 de réalisation de cannelures 54 creusées dans le corps 32 central dans le sens de l'écoulement des gaz. Les cannelures 54 sont formées sur le corps 32 central soit par chaudronnerie sur un corps central classique, soit par moulage lors de la fabrication du corps 32 central. La formation des cannelures 54 n'ajoute pas ou très peu de masse au corps 32 central, ce qui permet de ne pas réduire les performances générales de 30 l'aéronef dans lequel est installé le turbomoteur. Selon les modes de réalisation de l'invention, l'augmentation de masse du corps 32 central n'excède pas 3%, cette augmentation de masse de la veine interne de la tuyère primaire peut être facilement 3025255 9 compensée par une réduction de la longueur de l'éjecteur. Les cannelures 54 possèdent certaines caractéristiques géométriques qui sont visibles et référencées sur la figure 4, qui représente un corps 32 central selon le même mode de réalisation que la figure 3.The reduction of the tangential component of the velocity vector also has the effect of reducing the standard of the velocity vector of the exhaust gas, i.e. of reducing the velocity of the exhaust gas. This reduction of the speed causes a reduction in the dynamic pressure, and therefore an increase in the static pressure, for the principle of keeping the total pressure equal to the sum of the dynamic pressure and the static pressure. Increasing the static pressure and decreasing the dynamic pressure then make it possible to increase the coefficient of static pressure recovery, stated in the preamble, which makes it possible to increase the performance of the escapement 10 and therefore of the turbine engine. The means 44 for guiding the exhaust gases are formed in this embodiment of grooves 54 dug in the central body 32 in the direction of gas flow. The splines 54 are formed on the central body 32 either by boilermaking on a conventional central body, or by molding during the manufacture of the central body 32. The formation of the splines 54 does not add or very little mass to the central body 32, which makes it possible not to reduce the overall performance of the aircraft in which the turbine engine is installed. According to the embodiments of the invention, the mass increase of the central body 32 does not exceed 3%, this mass increase of the internal vein of the primary nozzle can be easily compensated by a reduction in the length of the ejector. The flutes 54 have certain geometric characteristics which are visible and referenced in FIG. 4, which represents a central body 32 according to the same embodiment as FIG.
5 Les caractéristiques des cannelures 54 sont les suivantes : le nombre de cannelures 54, et leur répartition sur le contour du corps 32 central ; la longueur L des cannelures 54. Les cannelures se prolongeant ici jusqu'à l'extrémité en aval du corps 32 central, cette longueur est aussi associée à 10 une abscisse O de départ des cannelures 54 ; la profondeur des cannelures, qui correspond à la distance entre la partie des cannelures 54 la plus éloignée de l'axe du corps central, c'est-à-dire au niveau des espaces entre deux cannelures 54, et la partie la plus proche de l'axe du corps 32 central, c'est-à-dire dans le creux des cannelures 54. Plus 15 précisément, les cannelures 54 peuvent avoir une profondeur fixe sur toute la longueur ou bien une profondeur variable, entre une profondeur Pmin minimale du côté de la partie 38 amont du corps 32 central, au niveau de l'abscisse O de départ, et une profondeur Pmax maximale dans la partie 40 aval du corps 32 central, à l'extrémité de celui-ci ; 20 le rayon des cannelures 54, celles-ci étant arrondies dans leur creux. Comme la profondeur, le rayon peut être fixe ou variable sur la longueur des cannelures, d'un rayon Rd de départ en amont du corps 32 central au niveau de l'abscisse O de départ, et d'un rayon Rs de sortie dans la partie aval du corps 32 central, à l'extrémité de celui-ci.The characteristics of the splines 54 are as follows: the number of splines 54, and their distribution on the contour of the central body 32; the length L of the splines 54. The splines extending here to the end downstream of the central body 32, this length is also associated with a starting abscissa O of the splines 54; the depth of the grooves, which corresponds to the distance between the part of the grooves 54 furthest from the axis of the central body, that is to say at the level of the spaces between two grooves 54, and the part closest to the axis of the central body 32, that is to say in the groove of the grooves 54. More precisely, the grooves 54 may have a fixed depth over the entire length or a variable depth, between a minimum depth Pmin of side of the upstream portion 38 of the central body 32, at the starting abscissa O, and a maximum depth Pmax in the downstream portion 40 of the central body 32, at the end thereof; 20 the radius of the grooves 54, these being rounded in their hollow. Like the depth, the radius may be fixed or variable along the length of the grooves, a starting radius Rd upstream of the central body 32 at the starting abscissa O, and an output radius Rs in the downstream part of the central body 32, at the end thereof.
25 Les figures 5 et 7 représentent deux autres modes de réalisation de l'invention, dans lesquels les caractéristiques des cannelures 54 énoncés précédemment diffèrent par leurs valeurs. La figure 5 représente un deuxième mode de réalisation où les cannelures 56 présentent les caractéristiques suivantes : 30 seize cannelures 56 réparties uniformément sur la totalité du contour du corps 32 central ; profondeur de départ de 0,5mm, profondeur de sortie de 15mm ; 3025255 10 rayon de sortie de 6mm ; abscisse de départ à la moitié du corps central, soit une longueur de cannelures 56 égale à la moitié de la longueur du corps 32 central. La figure 6 représente quatre courbes 60, 61, 62, 63 représentant les variations 5 du coefficient de récupération de pression statique et de la consommation spécifique de la tuyère selon le deuxième mode de réalisation, en sortie de tuyère et en sortie de l'éjecteur de l'échappement comprenant la tuyère. Les courbes 60 et 61 représentent les variations de coefficients de récupération de pression statique en fonction de la puissance délivrée par le turbomoteur, 10 respectivement au niveau de la sortie de la tuyère et au niveau de la sortie de l'éjecteur. Le coefficient de récupération statique est ainsi augmenté pour toutes les puissances délivrées. Les courbes 62 et 63 représentent les variations de la consommation spécifique de carburant en fonction de la puissance délivrée par le turbomoteur, respectivement 15 au niveau de la sortie de la tuyère et au niveau de la sortie de l'éjecteur. Ainsi, l'augmentation du coefficient de récupération de pression statique entraîne une diminution de la consommation de carburant, notamment dans les puissances élevées. La figure 7 représente un troisième mode de réalisation où les cannelures 58 présentent les caractéristiques suivantes : 20 vingt cannelures réparties uniformément sur la totalité du contour du corps 32 central ; profondeur de départ de 1,2mm, profondeur de sortie de 6mm ; rayon de sortie de 6mm ; abscisse de départ au deux tiers du corps 32 central en partant de 25 l'extrémité de la partie 38 amont, soit une longueur de cannelures 58 égale à un tiers de la longueur du corps 32 central. Les performances mesurées sont néanmoins optimales pour toute abscisse de départ entre la moitié et deux tiers du corps 32 central, dans ce mode de réalisation. La figure 8 représente deux courbes 64, 65, 66, 67 représentant les variations du 30 coefficient de récupération de pression statique et de la consommation spécifique des tuyères selon le troisième mode de réalisation, et au niveau de l'éjecteur de l'échappement comprenant la tuyère.Figures 5 and 7 show two other embodiments of the invention, in which the characteristics of the splines 54 previously stated differ in their values. FIG. 5 shows a second embodiment in which the splines 56 have the following characteristics: sixteen splines 56 distributed uniformly over the entire contour of the central body 32; starting depth of 0.5mm, output depth of 15mm; 3025255 10 output radius of 6mm; starting abscissa at half of the central body, a length of grooves 56 equal to half the length of the central body 32. FIG. 6 represents four curves 60, 61, 62, 63 representing the variations of the static pressure recovery coefficient and the specific consumption of the nozzle according to the second embodiment, at the outlet of the nozzle and at the outlet of the ejector exhaust comprising the nozzle. The curves 60 and 61 represent the variations of static pressure recovery coefficients as a function of the power delivered by the turbine engine, respectively at the outlet of the nozzle and at the outlet of the ejector. The static recovery coefficient is thus increased for all the powers delivered. The curves 62 and 63 represent the variations in the specific fuel consumption as a function of the power delivered by the turbine engine, respectively at the outlet of the nozzle and at the outlet of the ejector. Thus, increasing the coefficient of static pressure recovery leads to a decrease in fuel consumption, especially in high power. FIG. 7 shows a third embodiment in which the splines 58 have the following characteristics: 20 splines distributed uniformly over the entire contour of the central body 32; 1.2mm starting depth, 6mm exit depth; output radius of 6mm; starting abscissa at two-thirds of the central body 32 from the end of the upstream portion 38, being a length of grooves 58 equal to one third of the length of the central body 32. The measured performances are nevertheless optimal for any starting abscissa between one-half and two-thirds of the central body 32 in this embodiment. FIG. 8 represents two curves 64, 65, 66, 67 representing the variations of the static pressure recovery coefficient and the specific consumption of the nozzles according to the third embodiment, and at the level of the exhaust ejector comprising the nozzle.
3025255 11 Les courbes 64 et 65 représentent les variations de coefficients de récupération de pression statique en fonction de la puissance délivrée par le turbomoteur, respectivement au niveau de la sortie de la tuyère et au niveau de la sortie de l'éjecteur. Le coefficient de récupération statique est ainsi augmenté pour toutes les puissances 5 délivrées. Les courbes 66 et 67 représentent les variations de la consommation spécifique de carburant en fonction de la puissance délivrée par le turbomoteur, respectivement au niveau de la tuyère et au niveau de l'éjecteur. Ainsi, l'augmentation du coefficient de récupération de pression statique entraîne une diminution de la consommation de 10 carburant. En comparant avec la figure 6, on remarque cependant que le troisième mode de réalisation est plus efficace sur une grande partie du régime de fonctionnement du turbomoteur, mais moins efficace sur les hautes puissances. Les deuxième et troisième modes de réalisation représentés figures 5 et 7 ont pour avantage supplémentaire d'apporter une augmentation de performance sans que 15 les cannelures 56, 58 ne soit présentes sur une longueur trop importante du corps 32 central. En effet, l'absence de cannelures dans la partie 38 amont du corps 32 central, notamment dans sa première moitié, permet d'implanter facilement les bras 34 structuraux maintenant le corps 32 central en position fixe, comme représenté figure 1, sans nécessité d'effectuer de changements de celui-ci et tout en conservant des 20 performances optimales engendrées par les cannelures 56, 58. L'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation décrits. En particulier, d'autres modes de réalisation de la tuyère d'échappement de gaz sont possibles, par exemple en faisant varier notamment le nombre de cannelures, la répartition de ces cannelures sur l'ensemble ou une partie du contour du corps central, la position de 25 départ des cannelures, la profondeur de départ des cannelures à cette position de départ, la profondeur de sortie des cannelures, le rayon de départ et le rayon de sortie des cannelures.The curves 64 and 65 represent the static pressure recovery coefficient variations as a function of the power delivered by the turbine engine, respectively at the outlet of the nozzle and at the outlet of the ejector. The static recovery coefficient is thus increased for all the powers delivered. The curves 66 and 67 represent the variations in the specific fuel consumption as a function of the power delivered by the turbine engine, respectively at the nozzle and at the level of the ejector. Thus, increasing the static pressure recovery coefficient results in a decrease in fuel consumption. Comparing with FIG. 6, however, it will be noted that the third embodiment is more effective over a large part of the operation of the turbine engine, but less efficient at high power. The second and third embodiments shown in FIGS. 5 and 7 have the additional advantage of providing an increase in performance without the splines 56, 58 being present over an excessive length of the central body 32. Indeed, the absence of grooves in the upstream portion 38 of the central body 32, especially in its first half, makes it easy to implant the structural arms 34 holding the central body 32 in a fixed position, as shown in FIG. to effect changes thereof and while maintaining optimal performance generated by the splines 56, 58. The invention is not limited to the described embodiments. In particular, other embodiments of the gas exhaust nozzle are possible, for example by varying in particular the number of grooves, the distribution of these grooves on all or part of the contour of the central body, the starting position of the splines, the starting depth of the splines at this starting position, the splitting output depth, the starting radius and the output radius of the splines.
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2014
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2015
- 2015-08-27 WO PCT/FR2015/052277 patent/WO2016034795A1/en active Application Filing
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