FR3030633A1 - Tuyere d'echappement d'un turbomoteur dont la sortie est perpendiculaire a l'axe de rotation du turbomoteur - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une tuyère d'échappement (1) d'un gaz destinée à une turbine à gaz (2) et comportant une section d'entrée (10) annulaire centrée sur l'axe (3) de ladite turbine à gaz (2), un diffuseur (20), une chambre de tranquillisation (30) et une tuyère de détente (40). Ledit diffuseur (20) s'étend autour dudit axe (3), selon une forme divergente de ladite section d'entrée (10) vers ladite chambre de tranquillisation (30), et comporte une première surface intérieure (23) et une première surface extérieure (24) de même concavité. Ladite chambre de tranquillisation (30) s'étend autour dudit axe (3) et est limitée d'une part par ledit diffuseur (20) et d'autre part par une seconde surface extérieure (31) prolongeant ladite première surface intérieure (23) et rejoignant ladite première surface extérieure (24). Ladite chambre de tranquillisation (30) comporte une ouverture radiale (32) débouchant dans ladite tuyère de détente (40), les gaz d'échappement sortant de ladite tuyère de détente (40) perpendiculairement audit axe (3).

Description

Tuyère d'échappement d'un turbomoteur dont la sortie est perpendiculaire à l'axe de rotation du turbomoteur La présente invention est du domaine des turbines à gaz et plus particulièrement des turbines à gaz destinées aux aéronefs à voilures tournantes. La présente invention concerne une tuyère d'échappement destinée à une turbine à gaz ainsi qu'une installation motrice munie d'au moins une turbine à gaz et d'au moins une telle tuyère d'échappement.

Les aéronefs à voilures tournantes sont généralement équipés d'un ou de plusieurs turbomoteurs afin d'assurer, par l'intermédiaire d'au moins un rotor principal, sa sustentation, voire sa propulsion. Un turbomoteur est une turbine à gaz comportant généralement, pour une application à un aéronef à voilure tournante, une turbine libre entraînant en rotation au moins un rotor principal de l'aéronef. Le fonctionnement du turbomoteur doit alors optimiser la puissance fournie par cette turbine libre en limitant notamment les pertes d'énergie dans les gaz échappement, en particulier en aval de cette turbine libre.

Les gaz d'échappement sont rejetés de la turbine libre à grande vitesse et à une pression supérieure à la pression atmosphérique et circulent alors dans une tuyère d'échappement jusqu'à être évacués dans l'atmosphère. Cette tuyère d'échappement a notamment pour fonction d'orienter ces gaz d'échappement vers une sortie et de détendre ces gaz d'échappement pour les amener à la pression atmosphérique. Afin de réaliser cette détente, une tuyère d'échappement réduit progressivement la vitesse des gaz d'échappement. Cependant, cette détente génère des pertes de charge de ces gaz d'échappement dans la tuyère d'échappement, dues notamment aux turbulences générées sur ces gaz d'échappement ainsi qu'au frottement de ces gaz d'échappement avec la paroi de la tuyère. Ces pertes de charge entraînent alors une perte d'énergie de l'installation motrice formée par le turbomoteur et la tuyère d'échappement et, par suite, une baisse des performances du turbomoteur. Il est couramment admis qu'une variation de 1% des pertes de charge dans la tuyère d'échappement se traduit par une variation identique de 1% de la puissance du turbomoteur et une variation identique de 1% de la consommation spécifique de ce turbomoteur. De plus, le fonctionnement du turbomoteur peut également se trouver impacté par ces pertes de charge élevées au niveau de la tuyère d'échappement, par exemple par une réduction de sa marge au pompage. La réduction des pertes de charge susceptibles d'être générées sur les gaz d'échappement par une tuyère d'échappement est donc fondamentale afin d'optimiser les performances d'un turbomoteur. Lorsque ce turbomoteur équipe un aéronef à voilure tournante, ces pertes de charge entraînant une perte de puissance du turbomoteur sont alors préjudiciables au fonctionnement général de l'aéronef et plus spécifiquement pour certaines phases de vol particulières, telles que les phases de décollage, d'atterrissage et de vol stationnaire.

Généralement, une tuyère d'échappement est installée en ligne avec le turbomoteur, selon l'axe de rotation du turbomoteur, la tuyère étant alors de forme « simple ». La tuyère d'échappement comporte par exemple une tuyère de détente de forme divergente, tel un tronc de cône à génératrice droite, dont la section augmente progressivement pour réduire la vitesse de circulation des gaz d'échappement, conformément à la loi de conservation du débit masse. Ce type de tuyère d'échappement « simple » est le plus efficace afin de limiter les pertes de charge, ces pertes de charge étant généralement de l'ordre de 1%. Par ailleurs, une tuyère d'échappement peut également comporter une tuyère de sortie permettant d'orienter les gaz d'échappement en sortie de la tuyère d'échappement vers une direction légèrement inclinée par rapport à l'axe de rotation du turbomoteur. Cette tuyère de sortie, dite « tuyère secondaire », est alors installée au bout de la tuyère de détente, dite « tuyère primaire », les gaz d'échappement ayant été préalablement ralentis. C'est par exemple le cas sur un aéronef à voilure tournante muni de deux turbomoteurs, les tuyères d'échappement de chaque turbomoteur comportant une tuyère secondaire coudée afin d'évacuer les gaz d'échappement sur les cotés de l'aéronef.

Une telle tuyère secondaire coudée a souvent pour effet de doubler les pertes de charge par rapport à une tuyère d'échappement « simple ». Sur certains aéronefs bi-moteur, cette tuyère secondaire coudée peut par exemple former avec la tuyère primaire un angle allant jusqu'à quatre-vingts degrés (80°) ou quatre-vingt-dix degrés (90°), c'est-à-dire de sorte que la sortie des gaz d'échappement est sensiblement perpendiculaire à l'axe du turbomoteur. En outre, certaines implantations des turbomoteurs sur un aéronef imposent à la tuyère d'échappement de réaliser un virage serré pour « échapper » un obstacle, tel qu'une cloison « para- feu », un capot moteur ou bien 'une contrainte d'installation. Ce virage serré peut aller jusqu'à un coude à angle droit pour évacuer les gaz sur le coté de l'aéronef. De plus, ce virage serré peut être situé relativement proche de la sortie de la turbine libre du turbomoteur, les dimensions de la tuyère de détente étant alors réduites. De fait, la vitesse des gaz d'échappement ne peut pas être réduite suffisamment par cette tuyère de détente avant d'atteindre ce virage serré, générant alors des pertes de charge relativement importantes. Par ailleurs, une turbine à gaz peut être équipée d'une tuyère secondaire mobile afin d'orienter les gaz d'échappement. 5 Notamment, les aéronefs à atterrissage et décollage verticaux désignés généralement par l'acronyme VTOL pour la désignation anglaise « Vertical Take-Off and Landing » ainsi que les aéronefs à atterrissage et décollage verticaux et/ou courts désignés généralement par l'acronyme VSTOL pour la désignation anglaise 10 « Vertical and/or Short Take-Off and Landing » peuvent utiliser des moteurs à réaction comportant de telles tuyères de sortie mobiles. Ces tuyères de sortie mobiles permettent d'orienter les gaz d'échappement et, par suite, les poussées de ces moteurs, respectivement selon l'axe de chaque moteur ou bien selon un axe 15 incliné vis-à-vis de cet axe de chaque moteur, cette inclinaison pouvant aller jusqu'à 900 . Par exemple, un système de déviation des gaz d'échappement d'une turbine à gaz, selon le document FR2010251, est muni de deux segments mobiles en rotation afin d'orienter le 20 flux des gaz d'échappement perpendiculairement à l'axe de la turbine, selon un cheminement circulaire. Le document EP0118181 décrit quant à lui un dispositif de déflection du trajet de circulation des gaz d'échappement d'un moteur à réaction. Ce dispositif de déflection comporte des parties 25 mobiles pouvant former un premier trajet de circulation incurvé, des aubes de guidage se positionnant au milieu de ce premier trajet de circulation incurvé. Lorsque ces parties mobiles forment un second trajet de circulation selon l'axe du moteur, les aubes de guidage se positionnent alors le long de ce second trajet de 30 circulation.

On connait également le document EP1104847 qui décrit une tuyère de sortie d'une turbine à gaz comportant une tuyère primaire et une tuyère secondaire sensiblement coaxiales, la tuyère primaire étant située à l'intérieure de la tuyère secondaire et dépassant axialement de cette tuyère secondaire. Les sections de sortie de ces tuyères primaire et secondaire sont inclinées vis-à-vis d'une direction perpendiculaire à leur axe commun, permettant notamment ainsi de réduire le bruit généré par cette turbine à gaz.

Pour toutes ces configurations, la maîtrise des pertes de charge et la recherche de la meilleure forme de la tuyère d'échappement est un enjeu primordial afin de ne pas dégrader les performances des moteurs. Par ailleurs, les pertes de charge d'un fluide sont principalement proportionnelles au carré de la vitesse de ce fluide. De fait, les gaz d'échappement sortant de la turbine libre d'un turbomoteur à grande vitesse, il est important de réduire rapidement cette vitesse afin de limiter ces pertes de charge. La présente invention a alors pour objet une tuyère d'échappement destinée à une turbine à gaz permettant d'orienter les gaz d'échappement de cette turbine à gaz tout en s'affranchissant des limitations mentionnées ci-dessus et notamment en réduisant la vitesse de circulation des gaz d'échappement sortant de la turbine à gaz et en limitant les pertes de charge de ces gaz d'échappement jusqu'à leurs sorties de la tuyère d'échappement. Selon l'invention, une tuyère d'échappement comporte successivement selon le sens de circulation d'un gaz au travers de la tuyère d'échappement : - une section d'entrée annulaire et centrée sur un premier axe, un premier sens F1 étant défini parallèlement au premier axe et orienté selon le sens de circulation du gaz, - un diffuseur, - une chambre de tranquillisation, et - au moins une tuyère de détente reliée à une première extrémité à la chambre de tranquillisation et comportant à une seconde extrémité une section de détente, une première forme divergente de la tuyère de détente allant de la chambre de tranquillisation vers la section de détente, un second sens F2 étant défini parallèlement à une direction moyenne de sortie du gaz de la tuyère de détente et orienté selon le sens de circulation du gaz. Cette tuyère d'échappement est particulièrement destinée à une turbine à gaz, le gaz traversant la tuyère d'échappement étant les gaz d'échappement de cette turbine à gaz. Ces gaz d'échappement sortent de la turbine à gaz, puis entrent dans la tuyère d'échappement par la section d'entrée annulaire et circulent ensuite dans la tuyère d'échappement. Le premier axe de la section d'entrée annulaire est confondu avec l'axe de rotation de la turbine à gaz. Lorsqu'il traverse chaque tuyère de détente, le gaz voit sa pression diminuer jusqu'à leur sortie de la tuyère de détente par la section de détente grâce à le première forme divergente de chaque tuyère de détente. Cette première forme divergente d'une tuyère de détente a une section de passage dont la superficie augmente progressivement de la chambre de tranquillisation vers la section de détente. On entend par « section de passage » une surface intérieure de cette première forme divergente qui est perpendiculaire à une direction moyenne de circulation d'un gaz dans cette première forme divergente. La direction moyenne de circulation d'un gaz dans une forme quelconque est définie lors d'un écoulement laminaire de ce gaz dans cette forme et est la moyenne des directions de circulation de ce gaz. Cette première forme divergente est par exemple un tronc de cône à génératrice droite ou bien curviligne, la direction 5 moyenne de circulation du gaz étant alors l'axe de ce tronc de cône. De plus, le second sens F2 est défini parallèlement à la direction moyenne de sortie du gaz de la tuyère de détente qui correspond à cette direction moyenne de circulation du gaz au 10 niveau de la section de détente. Ce second sens F2 est orienté selon le sens de circulation du gaz. Cette tuyère d'échappement est remarquable en ce que le diffuseur s'étend autour du premier axe selon une seconde forme divergente allant de la section d'entrée annulaire vers la chambre 15 de tranquillisation. Le diffuseur comporte une première surface intérieure et une première surface extérieure, le gaz circulant entre les premières surfaces intérieure et extérieure et sortant du diffuseur par une section de sortie du diffuseur vers la chambre de tranquillisation. 20 De plus, la chambre de tranquillisation est limitée d'une part par le diffuseur et d'autre part par une seconde surface extérieure prolongeant la première surface intérieure du diffuseur et rejoignant la première surface extérieure du diffuseur, la chambre de tranquillisation comportant au moins une ouverture radiale, 25 chaque ouverture radiale débouchant dans une tuyère de détente. Enfin, la tuyère de détente est agencée afin que le second sens F2 forme avec le premier sens F1 un premier angle a compris entre 60° et 180°.

La tuyère d'échappement selon l'invention permet de réaliser une diffusion d'un gaz entrant par la section d'entrée annulaire et son éjection sur le coté, le volume axial de cette tuyère d'échappement étant réduit. La difficulté à laquelle fait face cette tuyère d'échappement est alors de limiter les pertes de charge subies par ce gaz en la traversant afin de ne pas dégrader par exemple les performances de la turbine à gaz reliée à cette tuyère d'échappement dont les gaz d'échappement sont évacués par cette tuyère d'échappement.

Par ailleurs, une tuyère d'échappement et la turbine à gaz à laquelle elle est reliée peuvent former une installation motrice équipant un aéronef et plus particulièrement un aéronef à voilure tournante. Le diffuseur qui reçoit le gaz entrant par la section annulaire comporte ainsi deux premières surfaces intérieure et extérieure entre lesquelles le gaz circule de la section d'entrée annulaire vers la chambre de tranquillisation. Ces premières surfaces intérieure et extérieure sont curvilignes et forment respectivement une forme sensiblement conique autour du premier axe. De plus, les premières surfaces intérieure et extérieure s'écartent progressivement du premier axe en s'éloignant de la section d'entrée annulaire. Enfin, les premières surfaces intérieure et extérieure constituent une seconde forme divergente dont la superficie de la section de passage du gaz augmente progressivement de la section d'entrée annulaire vers la chambre de tranquillisation. Cette augmentation de la superficie de la section de passage est progressive, régulière et faible afin de permettre un écoulement le plus calme possible tout en réduisant la vitesse de circulation de ce gaz.

De plus, pour éviter l'apparition de points de décollement de la couche limite du gaz sur les premières surfaces intérieure et extérieure, la première surface intérieure et la première surface extérieure varient de façon continue selon le sens de circulation du gaz, c'est-à-dire que les dérivées premières des premières surfaces intérieure et extérieure sont continues. De même, pour éviter l'apparition de tels points de décollement de la couche limite du gaz, les premières surfaces intérieure et extérieure ne comportent aucune ligne d'inflexion, c'est-à-dire que pour la première surface intérieure et pour la première surface extérieure, les centres de courbure respectifs restent du même côté de la première surface intérieure ou de la première surface extérieure pour l'ensemble de ces premières surfaces intérieure et extérieure.

En outre, afin que la superficie de la section de passage augmente progressivement et, par suite, que la réduction de la vitesse de circulation du gaz dans le diffuseur soit progressive, la première surface intérieure et la première surface extérieure ont la même concavité. On entend par « même concavité », le fait que les premières surfaces intérieure et extérieure ont des courbures tournant dans le même sens, c'est-à-dire que les centres de courbure respectifs des premières surfaces intérieure et extérieure sont situés du même côté de ces premières surfaces intérieure et extérieure.

La circulation du gaz dans le diffuseur peut ainsi être en partie laminaire dans la seconde forme divergente. Ce gaz subit alors peu de pertes de charge tout en constatant que sa vitesse de circulation est réduite en traversant le diffuseur. De plus, il est possible selon les formes des premières surfaces intérieure et extérieure qu'il n'y ait pas de décollement de la couche limite du gaz sur la première surface intérieure et la première surface extérieure. Au minimum, ce décollement de la couche limite du gaz sur la première surface intérieure et la première surface extérieure est retardé et se situe dans la partie terminale du diffuseur, c'est-à-dire proche de la section de sortie.

Ainsi, la seconde forme divergente du diffuseur de la tuyère d'échappement selon l'invention évolue selon une loi d'évolution permettant d'une part de réduire progressivement la vitesse du gaz circulant dans le diffuseur et d'autre part de retarder le décollement de la couche limite du gaz sur la première surface intérieure et la première surface extérieure. Ainsi, les pertes de charge subies par le gaz circulant dans le diffuseur sont réduites. Après le diffuseur, ce gaz circule dans la chambre de tranquillisation qui permet d'orienter le gaz sortant du diffuseur vers chaque tuyère de détente à laquelle est reliée cette chambre de tranquillisation. L'absence de variation brusque des surfaces au milieu desquelles se fait la circulation du gaz est importante pour qu'un minimum de pertes de charge soit généré lors de ce passage du diffuseur vers la chambre de tranquillisation. Dans ce but, la seconde surface extérieure de cette chambre de tranquillisation prolonge la première surface intérieure du diffuseur de façon continue. De même, cette seconde surface extérieure de cette chambre de tranquillisation rejoint la première surface extérieure du diffuseur de façon continue. Ainsi, il y a continuité de la surface complète formée par la première surface intérieure, la seconde surface extérieure et la première surface extérieure. De plus, cette surface complète varie de façon continue, c'est-à-dire que la dérivée de cette surface complète est continue. De plus, et comme pour les premières surfaces intérieure et 30 extérieure, la seconde surface extérieure ne comporte majoritairement aucune ligne d'inflexion. Cependant, cette seconde surface extérieure peut tout de même comporter une ligne d'inflexion au niveau de la jonction avec la première surface extérieure du diffuseur. Cette ligne d'inflexion n'a alors que peu d'effet, voire aucun effet, sur l'écoulement du gaz qui se dirige vers chaque ouverture radiale de la chambre de tranquillisation. Le diffuseur forme ainsi un volume courbé orientant le gaz vers la chambre de tranquillisation en réduisant la vitesse du gaz tout en limitant les pertes de charge générées par le diffuseur. Ce volume courbé se termine par la section de sortie qui permet de définir un troisième sens F3 perpendiculairement à cette section de sortie et orienté selon le sens de circulation du gaz. Ce troisième sens F3 forme alors avec le premier sens F1 un second angle f3 compris entre 1000 et 200°.

Par exemple, ce second angle p est égal à 180°. Le diffuseur permet ainsi au gaz de faire un demi-tour avant d'entrer dans la chambre de tranquillisation. Par ailleurs, la chambre de tranquillisation s'étend autour d'un second axe, ce second axe étant sécant avec le premier axe.

De préférence, ce second axe est confondu avec le premier axe de la section d'entrée annulaire du diffuseur. Cependant, ce second axe peut former avec le premier axe un troisième angle non nul, compris entre 00 à 15° par exemple. Enfin, la tuyère de détente est agencée afin que le premier 25 angle a soit compris entre 60° et 180°. En outre, lorsque le premier angle a entre le premier sens F1 et le second sens F2 est égal à 90°, et que le premier et le second axes sont confondus, le diffuseur et la chambre de tranquillisation ont respectivement une forme de révolution autour du premier axe. Par contre dans le cas contraire, les premières surfaces intérieure et extérieure du diffuseur ainsi que la seconde surface extérieure s'adaptent pour permettre, au niveau de chaque ouverture radiale, une continuité entre les premiers surfaces intérieure et extérieure du diffuseur, la seconde surface extérieure de la chambre de tranquillisation et les troisièmes surfaces formant la tuyère de détente correspondante.

En outre, la tuyère d'échappement comporte un plan de symétrie passant par le premier axe et la direction moyenne de sortie du gaz d'au moins une tuyère de détente. Le second axe appartient également à ce plan de symétrie. De fait, lorsque le troisième angle 6 est non nul, la tuyère 15 d'échappement comporte un seul plan de symétrie passant par le premier axe et le second axe. En revanche, si le premier axe et le second axe sont confondus, la tuyère d'échappement peut comporter plusieurs plans de symétrie, chaque plan de symétrie passant par la 20 direction moyenne de sortie du gaz d'une tuyère de détente. La chambre de tranquillisation peut être définie par une hauteur, prise parallèlement au second axe et un diamètre maximum pris perpendiculairement au second axe. Cette hauteur est la distance maximum entre deux points de la surface complète, 25 parallèlement au second axe, alors que le diamètre maximum est la distance maximum entre deux points de cette surface complète, perpendiculairement au second axe. La hauteur est strictement et même largement inférieure au diamètre maximum afin d'assurer un chambre de tranquillisation compacte selon le premier axe.

Par exemple, la hauteur de la chambre de tranquillisation est égale à la moitié de son diamètre maximum afin d'obtenir un compromis correct entre la compacité de la tuyère d'échappement et le ralentissement de la vitesse de circulation du gaz tout en minimisant la génération de pertes de charge. La chambre de tranquillisation offre alors un volume intérieur suffisant pour permettre au gaz de circuler depuis le diffuseur vers chaque ouverture radiale bien que cette chambre de tranquillisation soit compacte selon le premier axe. Par ailleurs, le gaz ayant été fortement ralenti dans le diffuseur, les pertes de charge subies par le gaz lors de sa circulation dans la chambre de tranquillisation sont réduites, les pertes de charge étant principalement proportionnelles au carré de la vitesse de circulation de ce gaz.

Par exemple, lorsqu'une turbine à gaz est reliée à la tuyère d'échappement selon l'invention, les gaz d'échappement entrent dans le diffuseur de la tuyère d'échappement avec une vitesse de l'ordre de 300 mètres par seconde (300 m/s) et sortent de ce diffuseur à une vitesse de l'ordre de 150 m/s.

La chambre de tranquillisation comporte par exemple une seule ouverture radiale, la tuyère d'échappement comportant alors une seule tuyère de détente par laquelle est évacuée la totalité du gaz. La chambre de tranquillisation peut également comporter 25 deux ouvertures radiales qui sont alors de préférence opposées, la tuyère d'échappement comportant deux tuyères de détente. En outre, la circulation du gaz entre le diffuseur et la chambre de tranquillisation peut générer des efforts importants sur la première surface extérieure dont l'extrémité est libre dans la chambre de tranquillisation. De plus, au niveau de la section de sortie, et plus particulièrement de la première surface extérieure, il peut se produire une séparation brutale de l'écoulement du gaz, générateur de turbulences dans la circulation du gaz. Ces 5 turbulences, outre un effet négatif sur les pertes de charge du gaz, peuvent générer par exemple des vibrations et/ou l'apparition de criques sur cette première surface extérieure. De plus, des vortex instationnaires peuvent apparaître par exemple à proximité de cette extrémité de la première surface extérieure, sollicitant alors 10 mécaniquement cette première surface extérieure. Par ailleurs, des vibrations peuvent également être transmise à la tuyère d'échappement par la turbine à gaz, voire par l'aéronef, équipé(e) de cette tuyère d'échappement. La première surface extérieure qui est libre dans la chambre de tranquillisation 15 peut être relativement sensible et fragilisée à ces vibrations. Avantageusement, la première surface extérieure peut alors se terminer par un bord tombé au niveau de la section de sortie. Ce bord tombé permet d'augmenter la rigidité de cette première surface extérieure afin d'une part de résister aux efforts générés 20 sur cette première surface extérieure par le gaz et d'autre part de résister aux vibrations induites notamment par la turbine à gaz, voire par l'aéronef, équipé(e) de cette tuyère d'échappement. De plus, la présence d'un bord tombé permet également d'éviter la séparation brutale de l'écoulement du gaz et permet 25 l'apparition d'un vortex stable et uniforme au niveau de l'extrémité de ce bord tombé. Outre ces propriétés mécaniques, ce bord tombé permet donc avantageusement d'éviter l'apparition d'une zone de turbulences en sortie du diffuseur et de vortex instables, générateur de turbulences et de pertes de charge du gaz.

Par ailleurs, la tuyère d'échappement peut comporter au moins un échangeur thermique et au moins une tuyère de sortie, chaque échangeur thermique étant positionné entre une tuyère de détente et une tuyère de sortie. Cet échangeur thermique peut 5 ainsi utiliser la chaleur du gaz circulant dans la tuyère d'échappement pour par exemple réchauffer l'air d'admission avant de le diriger dans la chambre de combustion d'une turbine à gaz reliée à cette tuyère d'échappement. La tuyère de sortie permet alors de diriger le gaz sortant de l'échangeur thermique vers 10 l'atmosphère. Cette tuyère de sortie peut comporter un coude afin de changer l'orientation du gaz. Ce gaz, fortement ralenti par son passage dans la tuyère d'échappement et dans l'échangeur thermique, ne subit alors que très peu de pertes de charge supplémentaire, voire aucune perte de charge supplémentaire. 15 La tuyère d'échappement selon l'invention permet ainsi de réaliser une diffusion d'un gaz, en sortie d'une turbine à gaz par exemple, très progressive et radialement uniforme, ce gaz étant amené dans la chambre de tranquillisation puis éjecté par la tuyère de détente. 20 La présente invention a également pour objet une installation motrice comportant au moins une turbine à gaz et au moins une tuyère d'échappement telle que précédemment décrite. Chaque turbine à gaz est reliée à une tuyère d'échappement au niveau d'une section d'entrée annulaire de cette tuyère d'échappement. 25 Les gaz d'échappement de chaque turbine à gaz circule ainsi dans une tuyère d'échappement jusqu'à être éjectés de l'installation motrice. L'invention et ses avantages apparaîtront avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit avec des exemples 30 de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées qui représentent : - la figure 1, une vue de dessus d'une tuyère d'échappement selon l'invention, - la figure 2, une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'une tuyère d'échappement, les figures 3 et 4, une vue isométrique et une vue en coupe d'un second mode de réalisation d'une tuyère d'échappement. Les éléments présents dans plusieurs figures distinctes sont affectés d'une seule et même référence.

Sur la figure 1, une tuyère d'échappement 1 est représentée en vue de dessus, cette tuyère d'échappement 1 comportant un plan de symétrie AA. Un premier mode de réalisation d'une tuyère d'échappement 1 est représenté sur la figure 2 selon une vue en coupe suivant le 15 plan de symétrie AA. Un second mode de réalisation d'une tuyère d'échappement 1 est représenté sur les figures 3 et 4 selon respectivement une vue isométrique et une vue en coupe suivant le plan de symétrie AA. Selon ce second mode de réalisation, la tuyère d'échappement 1 20 est munie d'un échangeur thermique 4 et d'une tuyère de sortie 50 et forme avec une turbine à gaz 2 une installation motrice 8. L'échangeur thermique 4, la tuyère de sortie 50 et la turbine à gaz 2 sont visibles sur la figure 4. De façon commune aux deux modes de réalisation, la tuyère 25 d'échappement 1 comporte une section d'entrée 10 annulaire, un diffuseur 20, une chambre de tranquillisation 30 et une tuyère de détente 40. Un gaz peut entrer dans la tuyère d'échappement 1 par la section d'entrée 10 annulaire puis circule successivement dans le diffuseur 20, la chambre de tranquillisation 30 et jusqu'à la tuyère de détente 40. La section d'entrée 10 annulaire est centrée sur un premier axe 3 appartenant au plan de symétrie AA. Un premier sens F1 est défini parallèlement au premier axe 3 vers l'intérieur de la tuyère d'échappement 1. Ce premier sens F1 est ainsi orienté selon le sens d'entrée et de circulation du gaz dans la tuyère d'échappement 1. Le diffuseur 20 s'étend autour du premier axe 3 et comporte 10 une première surface intérieure 23 et une première surface extérieure 24 ainsi qu'une section de sortie 26 au niveau de la jonction du diffuseur 20 avec la chambre de tranquillisation 30. La chambre de tranquillisation 30 est limitée d'une part par le diffuseur 20 et plus particulièrement par la première surface 15 extérieure 24 et la section de sortie 26, et d'autre part par une seconde surface extérieure 31. Cette seconde surface extérieure 31 prolonge la première surface intérieure 23 du diffuseur 20 et rejoint la première surface extérieure 24 du diffuseur 20. La chambre de tranquillisation 30 comporte une ouverture radiale 32 20 débouchant dans la tuyère de détente 40. La tuyère de détente 40 est ainsi reliée à une première extrémité à l'ouverture radiale 32 de la chambre de tranquillisation 30 et comporte à une seconde extrémité une section de détente 42 à travers laquelle le gaz est éjecté hors de la tuyère de détente 40. 25 La tuyère de détente 40 est constituée d'une première forme divergente allant de la chambre de tranquillisation 30 jusqu'à la section de détente 42. Ainsi, le gaz circulant dans la tuyère de détente 40 est détendu avant d'être éjecté. Un second sens F2 est défini parallèlement à une direction moyenne de sortie du gaz de la tuyère de détente 40 et orienté selon le sens de circulation de ce gaz. Ce second sens F2 est perpendiculaire à la section de détente 42. Le diffuseur 20 est constitué d'une seconde forme divergente allant de la section d'entrée 10 annulaire jusqu'à la chambre de tranquillisation 30, cette seconde forme divergente étant limitée par les premières surfaces intérieure 23 et extérieure 24. Ainsi, le gaz circulant entre les premières surfaces intérieure et extérieure 23,24 est détendu avant de sortir du diffuseur 20 par la section de sortie 26 de ce diffuseur 20 vers la chambre de tranquillisation 30. Un troisième sens F3 défini perpendiculairement à la section de sortie 26 et orienté selon le sens de circulation du gaz forme avec le premier sens F1 un second angle 8 égal à 180°. Par ailleurs, la tuyère d'échappement 1 est de préférence réalisée à partir de tôles fines, par exemple en acier ou bien en alliages spéciaux. Ces tôles fines doivent notamment résister aux hautes températures lorsque la tuyère d'échappement 1 équipe une turbine à gaz 2, les gaz d'échappement de cette turbine à gaz 2 circulant alors dans la tuyère d'échappement 1.

De plus, la première surface extérieure 24 se termine par un bord tombé 25 au niveau de la section de sortie 26. Ce bord tombé 25 permet d'une part d'augmenter la rigidité de la première surface extérieure 24 et d'autre part d'améliorer le passage du gaz du diffuseur 20 à la chambre de tranquillisation 30.

Selon le premier mode de réalisation de la tuyère d'échappement 1 représenté sur la figure 2, le second sens F2 forme avec le premier sens F1 un premier angle a égal à 90°. De fait, le gaz est éjecté de la tuyère de détente 40 perpendiculaire à la direction du premier axe 3, qui correspond sensiblement à la direction d'entrée du gaz dans la tuyère d'échappement 1 et plus particulièrement dans le diffuseur 20. Le diffuseur 20 et la chambre de tranquillisation 30 ont alors des formes de révolution autour du premier axe 3.

La première surface intérieure 23 et la première surface extérieure 24 sont formées respectivement par une surface conique de révolution, ces deux surfaces coniques de révolution délimitant la seconde forme divergente. La première surface intérieure 23 et la première surface extérieure 24 ont respectivement pour génératrice curviligne une première courbe intérieure et une première courbe extérieure représentées sur la figure 2. La première courbe intérieure et la première courbe extérieure ont la même concavité, c'est-à-dire que les premières courbes intérieure et extérieure ont leurs centres de courbure respectifs situés du même côté de ces premières courbes intérieure et extérieure. De plus, la superficie de la section de passage du gaz dans cette seconde forme divergente augmente progressivement de la section d'entrée annulaire 10 vers la chambre de tranquillisation 30. Enfin, la première courbe intérieure et la première courbe extérieure ne comportent aucun point d'inflexion. En conséquence, la seconde forme divergente du diffuseur 20 évolue selon une loi d'évolution permettant d'une part de réduire progressivement la vitesse du gaz circulant dans le diffuseur 20 et d'autre part de retarder le décollement de la couche limite du gaz sur la première surface intérieure 23 et la première surface extérieure 24. La chambre de tranquillisation 30 a quant à elle une forme sensiblement torique. Dans le plan de symétrie AA de la tuyère d'échappement 1, les centres Cl ,C2 des cercles définissant cette forme sensiblement torique de la chambre de tranquillisation 30 sont situés sur la direction d'éjection du gaz définie par le sens F2, comme représenté sur la figure 2. La première courbe intérieure se termine alors par un arc de cercle et la seconde surface extérieure 31 est constituée par le prolongement de cet arc de cercle. La seconde surface extérieure 31 ne comporte ainsi aucune ligne d'inflexion. Cependant, cette seconde surface extérieure 31 peut tout de même comporter une ligne d'inflexion au niveau de la 10 jonction avec la première surface extérieure 24 du diffuseur 20. La chambre de tranquillisation 30 est notamment définie par une hauteur H mesurée parallèlement au premier axe 3 et un diamètre maximum Om mesurée perpendiculairement au premier axe 3. La chambre de tranquillisation 30, étant une forme de 15 révolution, est définie par un seul diamètre 0 qui est donc le diamètre maximum 0m. La hauteur H est nettement inférieure au diamètre 0, ce diamètre 0 étant quatre fois supérieur à cette hauteur H pour ce premier mode de réalisation. La chambre de tranquillisation 30 occupe ainsi un volume relativement faible, 20 notamment selon la direction du premier axe 3. Selon le second mode de réalisation de la tuyère d'échappement 1 représenté sur les figures 3 et 4, le second sens F2 forme avec le premier sens F1 un premier angle a égal à 135°. De fait, le gaz est éjecté de la tuyère de détente 40 sur le côté de 25 la tuyère d'échappement 1 et dans un sens inverse vis-à-vis du premier sens F1 qui correspond sensiblement au sens d'entrée du gaz dans la tuyère d'échappement 1. Le diffuseur 20 et la chambre de tranquillisation 30 de ce second mode de réalisation ont alors des formes différentes de 30 celles du diffuseur 20 et de la chambre de tranquillisation 30 du premier mode de réalisation. En effet, le diffuseur 20 et la chambre de tranquillisation 30 doivent s'adapter à l'orientation de la tuyère de détente 40 au niveau de l'ouverture radiale 32. De fait, le diffuseur 20 et la chambre de tranquillisation 30 5 s'étendent autour du premier axe 3 sans être des formes de révolution complète autour de ce premier axe 3. Cependant, le diffuseur 20 et la chambre de tranquillisation 30 sont partiellement de révolution. Le diffuseur 20 et la chambre de tranquillisation 30 comportent ainsi une première partie de semi-révolution qui est 10 opposée à l'ouverture radiale 32 et une seconde partie, qui n'est pas de révolution, située du côté de l'ouverture radiale 32. Chaque première partie de semi-révolution du diffuseur 20 et de la chambre de tranquillisation 30 n'est en fait pas impactée par l'orientation de la tuyère de détente 40. Chaque première partie de 15 semi-révolution a pour axe de révolution le premier axe 3. Par contre, la seconde partie de la chambre de tranquillisation 30 et la seconde partie du diffuseur 20 doivent s'adapter à cette orientation de la tuyère de détente 40 afin de permettre un écoulement minimisant l'apparition de turbulences et 20 de pertes de charge notamment lors du passage de la chambre de tranquillisation 30 vers la tuyère de détente 40 au niveau de l'ouverture radiale 32. Sur la première partie de semi-révolution du diffuseur 20, la première surface intérieure 23 et la première surface extérieure 24 25 délimitant la seconde forme divergente sont formées respectivement par des surfaces coniques de révolution ayant pour génératrices curvilignes une première courbe intérieure et une première courbe extérieure représentées sur la figure 4.

Sur sa première partie de semi-révolution, la chambre de tranquillisation 30 de ce second mode de réalisation n'a pas une forme de tore. La seconde surface extérieure 31 de cette chambre de tranquillisation 30 prolonge de façon continue, comme pour le premier mode de réalisation, la première surface intérieure 23 et rejoint la première surface extérieure 24 du diffuseur 20. Par contre, la zone de la chambre de tranquillisation 30 située proche de la section d'entrée 10 annulaire comporte un plat, ce plat étant parallèle à cette section d'entrée 10 annulaire. Ce plat permet de diminuer la hauteur H de la chambre de tranquillisation 30 réduisant ainsi son volume afin de faciliter son implantation par exemple au sein d'un aéronef à voilure tournante. Afin de s'adapter à l'orientation de la tuyère de détente 40, les premières surfaces intérieure 23 et extérieure 24 délimitant la seconde forme divergente sont modifiées sur la seconde partie du diffuseur 20. De même, la seconde surface extérieure 31 est modifiée sur la seconde partie de la chambre de tranquillisation 30 afin de s'adapter à l'orientation de la tuyère de détente 40. Comme pour le premier mode de réalisation, la première courbe intérieure et la première courbe extérieure ont la même concavité et ne comportent aucun point d'inflexion aussi bien sur la première partie de semi-révolution que sur la seconde partie. La seconde surface extérieure 31 ne comporte également aucune ligne d'inflexion.

De plus, la première surface intérieure 23, la seconde surface extérieure et la première surface extérieure 24 varient de façon continue. De fait, la superficie de la section de passage du gaz dans cette seconde forme divergente augmente progressivement de la section d'entrée annulaire 10 vers la chambre de tranquillisation 30. Le diamètre maximum Opi de la chambre de tranquillisation 30 est égal à la distance maximale entre deux points opposés de la 5 seconde surface extérieure 31 ou bien entre deux points de la première surface intérieure 23, cette distance étant mesurée perpendiculairement au premier axe 3. Là encore, la hauteur H est nettement inférieure au diamètre maximum Ofri, ce diamètre maximum Orq étant cinq fois supérieur à cette hauteur H pour ce 10 second mode de réalisation. En outre, la tuyère d'échappement 1 comporte un échangeur thermique 4 et une tuyère de sortie 50, l'échangeur thermique 4 étant positionné entre la tuyère de détente 40 et la tuyère de sortie 50. Cette tuyère de sortie 50 comporte un coude afin d'orienter le 15 gaz vers la direction d'éjection désirée. La vitesse de circulation du gaz ainsi que sa pression ayant été préalablement ralenties dans le diffuseur 20, la chambre de tranquillisation 30, la tuyère de détente 40 et dans l'échangeur thermique 4, le gaz ne subit pratiquement aucune perte de charge supplémentaire en traversant 20 cette tuyère de sortie 50. Enfin, une turbine à gaz 2 est associée à la tuyère d'échappement 1 pour former une installation motrice 8. Ainsi, les gaz d'échappement sortant de la turbine à gaz 2 circulent dans la tuyère d'échappement 1 jusqu'à être éjectés par l'intermédiaire de 25 la tuyère de sortie 50. La tuyère d'échappement 1 permet ainsi d'orienter ces gaz d'échappement vers cette direction d'éjection tout en limitant les pertes de charge subies par ces gaz d'échappement, préservant ainsi les performances de la turbine à gaz 2.

Naturellement, la présente invention est sujette à de nombreuses variations quant à sa mise en oeuvre. Bien que plusieurs modes de réalisation aient été décrits, on comprend bien qu'il n'est pas concevable d'identifier de manière exhaustive tous les modes possibles. Il est bien sûr envisageable de remplacer un moyen décrit par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. De plus, bien que les modes de réalisation représentés sur les figures 2 à 4 décrivent un diffuseur 20 et une chambre de tranquillisation 30 s'étendant autour d'un même premier axe 3, il est possible que la chambre de tranquillisation 30 s'étende autour d'un second axe 6 différent et sécant avec le premier axe 3 de ce diffuseur 20. Ce second axe 6 doit se trouver dans le plan de symétrie AA de la tuyère d'échappement 1. Cependant, l'angle entre le premier axe 3 et le second axe 6 doit rester limité, par exemple compris entre 00 et 15°. Par ailleurs, le second angle [3 entre le premier sens F1 et le troisième sens F3 qui est égal à 180° pour les deux modes de réalisation représentés sur les figures 2 à 4 peut de façon générale 20 être compris entre 100° et 200°.

Claims (16)

1. REVENDICATIONS1. Tuyère d'échappement (1) destinée à une turbine à gaz (2), ladite tuyère d'échappement (1) comportant successivement selon le sens de circulation d'un gaz au travers de ladite tuyère 5 d'échappement (1) : - une section d'entrée (10) annulaire et centrée sur un premier axe (3), un premier sens (F1) étant défini parallèlement audit premier axe (3) et orienté selon ledit sens de circulation dudit gaz, 10 - un diffuseur (20), - une chambre de tranquillisation (30), - au moins une tuyère de détente (40) reliée à une première extrémité à ladite chambre de tranquillisation (30) et comportant à une seconde extrémité une section de détente 15 (42), une première forme divergente de ladite tuyère de détente (40) allant de ladite chambre de tranquillisation (30) vers ladite section de détente (42), un second sens (F2) étant défini parallèlement à une direction moyenne de sortie dudit gaz de ladite tuyère de détente (40) et orienté selon ledit 20 sens de circulation dudit gaz, caractérisée en ce que - ledit diffuseur (20) s'étend autour dudit premier axe (3) selon une seconde forme divergente allant de ladite section d'entrée (10) vers ladite chambre de tranquillisation (30), ledit diffuseur 25 (20) comportant une première surface intérieure (23) et une première surface extérieure (24), ledit gaz circulant entre lesdites premières surfaces intérieure et extérieure (23,24) et sortant dudit diffuseur (20) par une section de sortie (26) dudit diffuseur (20) vers ladite chambre de tranquillisation (30),- ladite chambre de tranquillisation (30) est limitée d'une part par ledit diffuseur (30) et d'autre part par une seconde surface extérieure (31) prolongeant ladite première surface intérieure (23) dudit diffuseur (20) et rejoignant ladite première surface extérieure (24) dudit diffuseur (20), ladite chambre de tranquillisation (30) comportant au moins une ouverture radiale (32), chaque ouverture radiale (32) débouchant dans une tuyère de détente (40), - ladite tuyère de détente (40) est agencée afin que ledit second sens (F2) forme avec ledit premier sens (F1) un premier angle a compris entre 60° et 180°.
2. 2. Tuyère d'échappement (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite première surface intérieure (23) et ladite première surface extérieure (24) ont la même concavité et ne comportent aucune ligne d'inflexion.
3. 3. Tuyère d'échappement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que ladite tuyère d'échappement (1) comporte un plan de symétrie passant par ledit premier axe (3) et ladite 20 direction moyenne de sortie dudit gaz d'au moins une tuyère de détente (40).
4. 4. Tuyère d'échappement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite première surface extérieure (24) se 25 termine par un bord tombé (25) au niveau de ladite section de sortie (26).
5. 5. Tuyère d'échappement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisée en ce que ladite seconde forme divergente dudit diffuseur (20) évolue selon une loi d'évolution permettant d'une part de réduire progressivement la vitesse dudit gaz circulant dans ledit diffuseur (20) et d'autre part de retarder le décollement de la couche limite dudit gaz sur ladite première surface intérieure (23) et ladite première surface extérieure (24).
6. 6. Tuyère d'échappement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'un troisième sens (F3) défini perpendiculairement à ladite section de sortie (26) et orienté selon ledit sens de circulation dudit gaz forme avec ledit premier sens (F1) un second angle f3 compris entre 1000 et 200°.
7. 7. Tuyère d'échappement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'un troisième sens (F3) défini perpendiculairement à ladite section de sortie (26) et orienté selon ledit sens de circulation dudit gaz forme avec ledit premier sens (F1) un second angle [3 égal à 180°.
8. 8. Tuyère d'échappement (1) selon l'une quelconque des 20 revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ladite seconde surface extérieure (31) ne comporte aucune ligne d'inflexion.
9. 9. Tuyère d'échappement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 25 caractérisée en ce que ladite chambre de tranquillisation (30) s'étend autour d'un second axe (6) formant avec ledit premier axe (3) un troisième angle 6 compris entre 0° à 15°.
10. 10.Tuyère d'échappement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ladite chambre de tranquillisation (30) s'étend autour d'un second axe (6) qui est confondu avec ledit 5 premier axe (3).
11. 11. Tuyère d'échappement (1) selon la revendication 10, caractérisée en ce que, lorsque ledit premier angle a est égal à 90°, ledit diffuseur (20) et ladite chambre de tranquillisation (30) ont respectivement une forme de révolution autour dudit premier 10 axe (3).
12. 12.Tuyère d'échappement (1) selon revendication l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que ladite chambre de tranquillisation (30) étant définie par une hauteur parallèlement audit second axe (6) et un 15 diamètre maximum perpendiculairement audit second axe (6), ladite hauteur est strictement inférieure audit diamètre maximum.
13. 13.Tuyère d'échappement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que ladite tuyère d'échappement (1) comporte 20 au moins un échangeur thermique (4) et au moins une tuyère de sortie (50), chaque échangeur thermique (4) étant positionné entre une tuyère de détente (40) et une tuyère de sortie (50).
14. 14.Tuyère d'échappement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, 25 caractérisée en ce que ladite chambre de tranquillisation (30) comporte une seule ouverture radiale (32) et ladite tuyèred'échappement comporte une seule tuyère de détente (40) et une seule tuyère de sortie (50).
15. 15. Tuyère d'échappement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que ladite chambre de tranquillisation (30) comporte deux ouvertures radiales (32) opposées et ladite tuyère d'échappement comporte deux tuyères de détente (40) et deux tuyères de sortie (50).
16. 16. Installation motrice (8) comportant au moins une turbine à 10 gaz (2) et au moins une tuyère d'échappement (1), chaque turbine à gaz (2) étant reliée à une tuyère d'échappement (1) au niveau d'une section d'entrée (10) de ladite tuyère d'échappement (1), caractérisée en ce que ladite tuyère d'échappement (1) est selon l'une quelconque des revendications 1 à 15. 15