FR3070185A1 - Systeme de radiateur chauffant pour tuyere secondaire convergente-divergente - Google Patents
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Abstract
L'invention propose un ensemble pour arrière de turbomachine à double-flux (10) ayant un axe longitudinal (X), comprenant : une tuyère secondaire (110) définie autour de l'axe longitudinal (X), ladite tuyère secondaire étant configurée pour éjecter un mélange des flux issus d'une veine secondaire (Vs) et d'une veine primaire (Vp) de la turbomachine (10), la tuyère secondaire étant de forme convergente-divergente avec un col (112) correspondant à une section minimale de la tuyère secondaire (110), un système de radiateur chauffant (140), comprenant au moins une plaque chauffante (142) disposée au moins sur une portion de la circonférence interne de la tuyère secondaire (110) longitudinalement au niveau du col (112) et/ou en amont du col (112).
Description
Système de radiateur chauffant pour tuyère secondaire converqentediveraente
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention se rapporte au domaine de la réduction du bruit pour une turbomachine à flux mélangés. Elle concerne plus particulièrement l'arrière corps d'un turboréacteur à mélangeur, où le flux primaire en sortie du moteur et le flux secondaire se mélangent à l’intérieur d’une tuyère secondaire, pour former un jet propulsé dans l’air externe.
Le domaine des turbomachines concernées est ainsi relatif aux tuyères LDMF (« long duct mixed-flow »), c'est-à-dire une tuyère secondaire s'étendant au-delà du mélange des flux.
L'invention concerne en particulier les solutions apportées aux problématiques d'acoustique dans le cadre de tuyère secondaire dite convergente-divergente.
ETAT DE L'ART
Dans le cadre des tuyères dite convergente-divergente, une source de bruit vient du fait qu'une poche de Mach est présente au niveau du col de la tuyère.
En effet, l’interaction entre la turbulence issue du mélange des deux flux et les zones d’écoulement supersonique dans la tuyère est une source de bruit haute fréquence. Ce phénomène peut apparaître notamment lorsque la tuyère commence à s'amorcer.
Ce phénomène s'observe plus nettement lorsqu'un mélangeur à lobes est installé à la confluence des flux primaire et secondaire. On se réfère aux demandes FR2902469 ou EP1870588 pour les mélangeurs, ainsi qu'au document WO2015/036684 qui propose une solution à l'aide de chevrons situés sur le bord de fuite de la tuyère.
Toutefois, la présente invention se place dans le cadre des tuyères dites convergentes-divergentes. Ces dernières permettent d'améliorer les performances des tuyères à flux mélangés, notamment en augmentant la taille du convergent-divergent (ratio appelé « CVDC » et référencé classiquement A9/A8 - voir figure 1, où sont illustrés une tuyère 110, un bord de fuite 114 et un col 112 et les sections respectifs Sf/Sc). Une tuyère convergente-divergente, par définition, présente une section minimale dont le positionnement axial ne coïncide pas avec l'une des extrémités du conduit. L'utilisation d'une tuyère secondaire convergente-divergente a deux avantages : elle permet de modifier sensiblement le coefficient de débit à faible taux de détente et améliorer la performance de la tuyère. Cette augmentation est bénéfique pour la performance du moteur mais elle est pénalisante acoustiquement.
Comme indiqué précédemment, on observe au niveau du col l'apparition d'une poche de Mach (voir figure 2, où les deux courbes représentent le bruit avec mélangeur en trait plein et sans mélangeur en trait pointillé en abscisse la fréquence F et en ordonnée le niveau de pression sonore SPL pour Sound Pressure Level, en décibel). Les turbulences issues du mélange des deux flux et la poche de Mach provoquent l'apparition de bruits indésirables.
PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention vise à réduire les conséquences acoustiques précités, dans le cadre de tuyère secondaire convergente-divergente.
Pour cela, l'invention propose un ensemble pour arrière de turbomachine à double-flux ayant un axe longitudinal, comprenant :
une tuyère secondaire définie autour de l'axe longitudinal, ladite tuyère secondaire étant configurée pour éjecter un mélange des flux issus d'une veine secondaire et d'une veine primaire de la turbomachine, la tuyère secondaire étant de forme convergente-divergente avec un col correspondant à une section minimale de la tuyère secondaire, un système de radiateur chauffant, comprenant au moins une plaque chauffante disposée au moins sur une portion de la circonférence interne de la tuyère secondaire longitudinalement au niveau du col et/ou en amont du col.
L'invention peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- la plaque chauffante est un radiateur électrique,
- la plaque chauffante s'étend longitudinalement selon une certaine distance,
- le système de radiateur chauffant comprend une pluralité de segments chauffants espacés les uns des autres le long de la circonférence interne de la tuyère,
- l'ensemble comprend en outre une tuyère primaire définissant une portion de veine primaire, la tuyère secondaire définissant une portion de veine secondaire, et un mélangeur à lobes, en extrémité aval de la tuyère primaire et présentant une alternance de lobes chauds s'étendant à l'intérieur de la veine secondaire et de lobes froids s'étendant à l'intérieur de la veine primaire,
- l'ensemble comprend un même nombre de lobes chauds que de segments chauffants.
- les segments chauffants sont positionnés radialement en regard des lobes chauds, au décalage longitudinal près,
- la plaque chauffante s'étend en aval du col sur une distance inférieure ou égale à 20% du diamètre de la tuyère secondaire au col et/ou dans lequel le système de radiateur chauffant s'étend en amont du col sur une distance inférieure ou égale à deux fois le diamètre de la tuyère secondaire au col,
- le système de radiateur chauffant présente un gradient de chauffage sur sa surface,
- le système de radiateur chauffant est intégré dans la tuyère secondaire de façon à ce que la surface interne d'écoulement soit continue pour ne pas perturber le flux.
- le ratio entre la section au bord de fuite de la tuyère secondaire et la section au col de la tuyère secondaire est compris entre 1 et 1,05.
L'invention concerne aussi une turbomachine double-flux comprenant un ensemble tel que décrit précédemment et comprenant un générateur électrique et/ou une batterie pour alimenter le système de radiateur chauffant.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :
- La figure 1 illustre le principe général d'une tuyère convergentedivergente,
- La figure 2 illustre des spectres de bruit (en décibel) d'une turbomachine avec et sans mélangeur à lobes,
- Les figures 3 et 4 illustrent un mode de réalisation de l'invention, dans le cadre d'un arrière corps avec un mélangeur,
- Les figures 5 et 6 illustrent un autre mode de réalisation de l'invention, pour ce même cadre.
DESCRIPTION DETAILLEE
L'invention va à présent être décrite en relation avec les figures 3 à 6.
L'arrière corps de turbomachine 100 concerné appartient à une turbomachine 10 à double-flux, comprenant une veine primaire Vp et une veine secondaire Vs. On parlera de veine pour le volume au travers duquel circule un flux. Dans la veine primaire Vp circule donc le flux primaire et dans la veine secondaire Vs circule donc le flux secondaire.
La turbomachine 10 est agencée autour d'un axe longitudinal X. On définit l'abscisse comme la position le long de cet axe longitudinal X.
Au sein de la veine primaire Vp, la turbomachine 10 comprend des éléments classiques connus de l'homme du métier, comme un ou plusieurs étages de compression, une chambre de combustion et enfin un ou plusieurs étages de turbines, qui entraînent notamment les compresseurs et aussi un fan, qui permet d'alimenter la veine secondaire Vs et fournit l'essentiel de la poussée. A l'extrémité avale, la veine primaire Vp est définie par une tuyère primaire 11, qui permet l'éjection du flux primaire. La tuyère primaire 11 peut être formée de plusieurs pièces distinctes.
De la même façon, au sein de la veine secondaire Vs, la turbomachine 10 intègre des éléments classiques connus de l'homme du métier. En particulier, à l'extrémité avale, la veine secondaire est définie par une tuyère 110, dite tuyère secondaire. Dans le cas des turbomachines LDMF, elle s'étend en aval au-delà de la tuyère primaire 11. Par conséquent, la tuyère secondaire 110 éjecte le flux secondaire, mélangé au flux primaire.
Cette tuyère secondaire 110 est convergente-divergente. Comme indiqué en introduction, cela signifie que le rayon (ou le diamètre) de la tuyère diminue puis augmente à nouveau, dans le sens d'écoulement du flux. La conséquence directe est que la section d'écoulement diminue puis augmente à nouveau.
On appelle « col » 112 de la tuyère secondaire la partie de la tuyère 110, à une abscisse xcoi, où cette section est minimale.
Le ratio de convergence-divergence est typiquement compris entre 100% et 105% (ratio de la section au bord de fuite 114 sur la section au col 112 : Sf/Sc).
L'arrière corps de turbomachine 100 peut comporter en outre un corps central 12 limitant l'extension radiale de la veine primaire à l'intérieur de la tuyère 110. Ce corps central 12 n'est pas concerné par l'invention. Il est situé sur l'axe longitudinal X et s'arrête généralement après un bord de fuite 120 de la tuyère.
La tuyère primaire 11 comprend donc un bord de fuite 120, à une abscisse xp en amont de l'abscisse xcoi. Le corps central 12, s'il est présent, s'étend au-delà longitudinalement du bord de fuite 120, c'est-àdire en aval de l'abscisse xp.
Ce bord de fuite 120 peut avoir, dans une section orthogonale à l'axe X, une forme circulaire.
Alternativement, comme illustré sur les figures 3 à 6, la tuyère primaire 11 peut se terminer par un mélangeur à lobes 130 qui a pour fonction, comme indiquée en introduction, de mélanger les flux primaires et secondaires avant qu'ils ne soient complètement éjectés de la tuyère secondaire 110. En référence à la figure 3, le mélangeur à lobes 130 est une pièce profilée prolongeant à l’intérieur de la tuyère secondaire 110, les parois définissant à l'intérieur la veine primaire Vp et à l'extérieur la veine secondaire Vs. Les mélangeurs peuvent avoir les lobes symétriques et périodiques, ou bien non symétriques et/ou non périodiques. L’épaisseur du bord de fuite 120 du mélangeur 130 est généralement faible pour éviter un effet de culot entre les deux flux. Le mélangeur à lobes 130 s'arrête généralement à une distance significative de l'extrémité aval de la tuyère secondaire 110 pour permettre au mélange de flux de s'homogénéiser. On rappelle que l'invention se place dans les cadres des turbomachines LDMF (« long duct - mixed flow »).
Comme visible sur les figures 4, 5 et 6, un exemple de mode de réalisation du mélangeur 130 est constitué avec des lobes symétriques, périodiques en azimut autour de l'axe longitudinal X. Sur cet exemple, la ligne de bord de fuite 120 a une forme tridimensionnelle ondulée en azimut et régulière qui passe périodiquement par un point bas 132 de rayon minimum et un point haut 134 de rayon maximum. La forme du mélangeur est préférentiellement obtenue en rejoignant cette ligne de bord de fuite 120 par des surfaces régulières lisses, d'un côté à la section circulaire de la paroi extérieure de la tuyère primaire 11, de l'autre côté à la section circulaire de la paroi intérieure de veine secondaire Vs. Des moyens connus permettent à l'homme du métier d'obtenir ces surfaces lisses en définissant des lois régulières de variation de rayon pour joindre les sections d'entrée au bord de fuite 120 du mélangeur à lobes 130.
Sur l'exemple présenté, les évolutions du bord de fuite 120 du mélangeur 130 sont périodiques. De cette manière, la surface moyenne entre la paroi radialement externe et la paroi radialement interne du mélangeur 130 fait des ondulations périodiques en azimut autour de l'axe longitudinal X qui créent, du côté du flux primaire sous les points hauts 134 du bord de fuite 120, des lobes divergents (dits lobes chauds et référencés 134 par simplification), et créent, du côté du flux secondaire au-dessus des points bas 132 du bord de fuite 120, des lobes convergents (dit lobes froids et référencés 132 par simplification).
Sur l'exemple présenté, l'abscisse xp sur l'axe longitudinal X qui détermine l'extension maximale du mélangeur à lobes en aval correspond aux points haut des lobes chauds. Par l'abscisse xp passe un plan d'éjection, c'est-à-dire un plan à partir duquel le flux d'air est éjecté des lobes chauds. Cet exemple de réalisation de mélangeur, comporte dix-huit lobes chauds symétriques autour du plan axial passant par leur milieu et répartis de manière périodique.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on peut envisager de définir un mélangeur à lobes 130 en modifiant son extension axiale, le taux de pénétration des lobes (déterminé essentiellement par les rayons des points hauts 134 et bas 132 du bord de fuite 120), la forme de ce bord de fuite 120, ainsi que le nombre de lobes. Les lobes peuvent également ne pas présenter de plans axiaux de symétrie. De même, bien que la répartition des lobes soit essentiellement périodique, cette périodicité peut être localement affectée en modifiant la forme de certains lobes, par exemple pour adapter le mélangeur 130 à un passage de pylône.
Le mélangeur à lobe 130 favorise le mélange des flux primaire Vp et secondaire Vs dans la veine à l'intérieur de la tuyère secondaire 110, notamment en provoquant des cisaillements et des tourbillons à l'interface entre les flux.
A présent que le cadre général a été décrit, les moyens de l'invention vont être explicités.
La tuyère secondaire 110 comprend un système de radiateur chauffant 140 qui sert à réchauffer le flux traversant la tuyère 110, et plus spécifiquement le flux d'air qui traverse la ou les poches de Mach situé au niveau du col 112, à proximité de la paroi interne de la tuyère 110. Il s'agit donc d'un système actif.
Le système de radiateur chauffant 140 comprend une ou plusieurs plaques chauffantes 142 positionnées sur une portion au moins de la circonférence interne de la tuyère secondaire 110, soit sur toute la circonférence (figures 3 et 4), soit partiellement (figures 5 et 6 par exemple). Le terme de plaque vise un élément, qui, lorsque posé à plat, présente une épaisseur faible par rapport à ses autres dimensions principales.
Ces plaques 142 permettent une intégration optimale du système de radiateur chauffant 140 sur la paroi interne de la tuyère secondaire 110 sans perturber l'écoulement du flux d'air.
Longitudinalement, la ou les plaques chauffantes 142 se situent au niveau du col 112, ou en amont du col 112, c'est à dire entre ledit col 112 et le bord de fuite 120 de la tuyère primaire 11.
Le but est que le sillage pénétrant la poche de Mach soit réchauffé, de façon à limiter les effets acoustiques. Pour cette raison, comme la poche de Mach se situe juste en aval du col 112, il n'est pas utile que les plaques 142 s'étendent beaucoup en aval du col 112. Une extension longitudinale en aval du col longueur inférieure à 0,2xDCOi, où Dcoi est le diamètre de la tuyère 110 à l'abscisse xcoi, est préférable.
Comme indiqué précédemment, la ou les plaques chauffantes 142 peuvent être positionnées en amont du col 112. Dans cette configuration, on privilégie une ou des plaques chauffantes 220 qui ne s'étendent pas longitudinalement plus en amont que 2xDCOi à partir du col 112.
Inversement, réchauffer en amont du col 112 permet d'échauffer le flux pour la poche de Mach. La ou les plaques chauffantes 142 peuvent ainsi s'étendre longitudinalement, depuis le col 112, jusqu'à 2xDCOi en amont.
Les plaques chauffantes 142 peuvent être réalisées de plusieurs façons. Un mode préférentiel consiste à les doter de résistances électriques qui génèrent de la chaleur lorsqu'un courant électrique les traversent. Les plaques peuvent alors rendre la forme de grille constitués de filament chauffants. Les plaques chauffantes 142 consistent donc en un radiateur électrique.
L'alimentation en électricité se fait par exemple depuis un générateur entraîné par un boîtier d'entrainement des accessoires (« AGB » pour « accessory gearbox ») qui prélève de la puissance sur un arbre de la turbomachine. Des batteries peuvent être prévues, pour alimenter les plaques chauffantes 142 en l'absence de disponibilité du générateur.
Un mode de réalisation particulier du système de radiateur chauffant 140 est lié à la présence du mélangeur à lobe 130.
Le mélangeur à lobe 130, qui présente des lobes chauds 134 et des lobes froids 132, provoque différents sillages qui ne suivent pas le même parcours. En l'espèce, il s'agit surtout de la zone entre les sillages issus des lobes chauds 134 et la tuyère secondaire 110 qui ont besoin d'être réchauffés par le système de radiateur chauffant 140.
Pour cela, afin d'économiser de l'énergie et d'optimiser la mise en place du système de radiateur chauffant, ce dernier peut comprendre une pluralité de segments chauffants 144a, 144b, disposés à distance les uns des autres sur différentes portions de la circonférence de la tuyère 110 (voir figures 5 et 6). Chaque segment chauffant 144a, 144b est situé en regard d'un lobe chaud 134. Cela signifie que, au décalage longitudinal près (comme illustré sur la figure 6, où les segments chauffants 144a, 144b et le mélangeur 130 sont placés dans un même plan), il y a un segment chauffant 144a, 144b situé dans le prolongement radial d'un lobe chaud 134. En d'autres termes, les segments chauffants 144a, 144b et les lobes chauds 134 sont aux mêmes azimuts.
La largeur du segment 144a, 144b peut être égale à une projection radiale du lobe sur la circonférence interne de la tuyère secondaire 110 (c'est-à-dire par projection orthogonale depuis un point de l'axe longitudinal X), ou bien égale à la largeur du lobe ou bien toute dimension du même ordre de grandeur (pour autant que les segments soient suffisamment étroits pour s'assurer qu'ils sont espacés les uns des autres, voir figure 6).
En tout état de cause, on privilégie les assemblages symétriques, c'està-dire que le sommet du lobe chaud 134 est radialement aligné avec le centre du segment chauffant 144a, 144b correspondant.
On compte ainsi préférablement autant de segments chauffants 144a, 144b que de lobes chauds 132.
Chaque segment peut être composé d'une ou plusieurs plaques 142, en fonction de la taille des plaques et des segments 144a, 144b.
Cette configuration évite d'utiliser de l'énergie pour chauffer la zone en regard des lobes froids dont le sillage ne vient pas impacter la poche de mach.
Dans un mode de réalisation particulier visant à préserver l'intégrité structurelle de la tuyère secondaire 110, les plaques chauffantes 142, ou la pluralité de plaques chauffantes 142 peuvent présenter un gradient de température pour éviter réchauffement du matériau sur lequel elles sont placés. Le gradient consiste à avoir une température plus importante au centre qu'à la périphérie.
Une augmentation de la température localement de 50°K permet par exemple de faire baisser le Mach entre 0,90 et 0,95, par rapport à un Mach de 1 pour une température de 320°K.
Le système de radiateur chauffant 140 présenté permet de gagner jusqu'à 1 EPNdB en cumulé.
Le système de radiateur chauffant 140 peut être activé sur les points de certification acoustique et désactivé lors des phases de croisière, pour ne pas impacter la performance du moteur, notamment en phase de croisière. En chauffant au col et généralement en amont du col, on obtient un effet progressif performant et le risque de bruit parasite est diminué.
Enfin, le système de radiateur chauffant 140 peut être utilisé avec tout type de bord de fuite de tuyère secondaire. En effet, celui-ci n'étant pas disposé en aval du col (ou d'une façon limitée), les différentes technologies de bord de fuite de tuyère, comme les chevrons décrits dans le document WO2015/036684 peuvent être implémentés sans 10 difficulté pour améliorer encore les performances acoustiques de la turbomachine.
Claims (10)
- Revendications1. Ensemble pour arrière de turbomachine à double-flux (10) ayant un axe longitudinal (X), comprenant :une tuyère secondaire (110) définie autour de l'axe longitudinal (X), ladite tuyère secondaire étant configurée pour éjecter un mélange des flux issus d'une veine secondaire (Vs) et d'une veine primaire (Vp) de la turbomachine (10), la tuyère secondaire étant de forme convergentedivergente avec un col (112) correspondant à une section minimale de la tuyère secondaire (110), caractérisé en ce que l'ensemble comprend en outre :un système de radiateur chauffant (140), comprenant au moins une plaque chauffante (142) disposée au moins sur une portion de la circonférence interne de la tuyère secondaire (110) longitudinalement au niveau du col (112) et/ou en amont du col (112).
- 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la plaque chauffante (142) est un radiateur électrique.
- 3. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système de radiateur chauffant (140) comprend une pluralité de segments chauffants (144a, 144b ...) espacés les uns des autres le long de la circonférence interne de la tuyère (110).
- 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre :- une tuyère primaire (11) définissant une portion de veine primaire (Vp), la tuyère secondaire (110) définissant une portion de veine secondaire (Vs),- un mélangeur à lobes (130), en extrémité aval de la tuyère primaire (11) et présentant une alternance de lobes chauds (134) s'étendant à l'intérieur de la veine secondaire (Vs) et de lobes froids (132) s'étendant à l'intérieur de la veine primaire (Vp).
- 5. Ensemble selon les revendications 3 et 4, dans lequel les segments chauffants (144a, 144b) sont positionnés radialement en regard des lobes chauds (134), au décalage longitudinal près.
- 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaque chauffante (130) s'étend en aval du col sur une distance inférieure ou égale à 20% du diamètre de la tuyère secondaire (110) au col (112) et/ou dans lequel le système de radiateur chauffant s'étend en amont du col sur une distance inférieure ou égale à deux fois le diamètre de la tuyère secondaire (110) au col (112).
- 7. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système de radiateur chauffant (140) présente un gradient de chauffage sur sa surface.
- 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système de radiateur chauffant (140) est intégré dans la tuyère secondaire (110) de façon à ce que la surface interne d'écoulement soit continue pour ne pas perturber le flux.
- 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ratio entre la section au bord de fuite (114) de la tuyère secondaire (110) et la section au col (112) de la tuyère secondaire (110) est compris entre 1 et 1,05.
- 10. Turbomachine double-flux (10) comprenant un ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 et comprenant un générateur électrique et/ou une batterie pour alimenter le système de radiateur chauffant (140).
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- 2017-08-21 FR FR1757775A patent/FR3070185B1/fr active Active
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