FR3109176A1 - Grille de conduit de décharge à chevrons - Google Patents

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Abstract

Grille de conduit de décharge à chevrons Une grille (22) traitement acoustique destinée à être montée à l’intérieur ou en sortie d’un conduit (21) d’une vanne de décharge (20) d’une turbomachine (1) d’un aéronef destinée à acheminer un flux gazeux (F), la grille (22) comprenant une plaque perforée (23) comportant des orifices (230) traversant. Les orifices (230) de la plaque perforée (23) ont des motifs anguleux. Figure pour l’abrégé : Fig. 3.

Description

Grille de conduit de décharge à chevrons
L’invention concerne le domaine des bruits des systèmes de propulsion d’un aéronef, et plus particulièrement des bruits des vannes de décharges utilisées sur les systèmes propulsifs des aéronefs.
Dans la plupart des configurations, les systèmes propulsifs d’aéronefs, tels que des turbofan, turboprop, ou des open rotors, sont constitués comme le turboréacteur dont une vue en section dans un plan longitudinal du turboréacteur est illustrée sur la figure 1.
Le turboréacteur 1 comprend une nacelle 2, un carter intermédiaire 3 et un carter interne 4. La nacelle 2 et les deux carters 3 et 4 sont coaxiaux et définissent une direction axiale de turboréacteur DATet une direction radiale de turboréacteur DRT. La nacelle 2 définit à une première extrémité un canal d’entrée 5 d’un écoulement de fluide et à une seconde extrémité, opposée à la première extrémité, un canal d’échappement 6 d’un écoulement de fluide. Le carter intermédiaire 3 et le carter interne 4 délimitent entre eux une veine primaire 7 d’écoulement de fluide. La nacelle 2 et le carter intermédiaire 3 délimitent entre eux une veine secondaire 8 d’écoulement de fluide. La veine primaire 7 et la veine secondaire 8 sont disposées selon une direction axiale de turboréacteur DATentre le canal d’entrée 5 et le canal d’échappement 6.
Le turboréacteur 1 comprend en outre une soufflante 9 configurée pour délivrer un flux d’air F comme écoulement fluidique, le flux d’air F étant divisé en sortie de la soufflante en un flux primaire Fp circulant dans la veine primaire 7 et en un flux secondaire Fs circulant dans la veine secondaire 8.
La veine secondaire 8 comprend un anneau de redresseurs 10, et la veine primaire 7 comprend un étage de compression basse pression 11, un étage de compression haute pression 12, une chambre de combustion 13, une turbine haute pression 14 et une turbine basse pression 15.
Les systèmes de propulsions d’un aéronef comprennent généralement des vannes de décharges 16 comme par exemple les vannes dénommées en anglais « Variable Bleed Valves » (VBV), « Transient Bleed Valves » (TBV) ou « Handling Bleed Valves » (HBV). Ces vannes 16 ont pour fonction de réguler le fonctionnement des turboréacteurs 2, en ajustant le débit d’air à l’entrée et/ou à la sortie du compresseur haute pression 12, pour augmenter la marge au pompage, à faible régime, ou lors des phases d’accélération ou de décélération. Le débit ainsi prélevé est évacué au travers d’un conduit 17, puis réintroduit dans la veine secondaire 8 acheminant le flux secondaire Fs, ou plus en aval dans le flux primaire Fp, suivant la stratégie employée.
Dans le cas où le débit d’air est réintroduit à l’aval de la veine primaire 7 acheminant le flux primaire Fp comme cela est illustré sur la figure 1 (cas courant pour la régulation des régimes transitoires), une pratique courante d’optimisation du système consiste en l’obstruction partielle du conduit par une grille multi-perforée ou un diaphragme. L’intérêt de cette optimisation est de générer une perte de charge permettant d’adapter le conditionnement thermodynamique de l’écoulement au milieu fluide dans lequel il sera réintroduit, dans des contraintes de masse et d’encombrement maitrisées. Le cas où la grille est positionnée dans le conduit est dénommé configuration en conduit.
Dans le cas illustré sur la figure 2, où le débit d’air est réintroduit dans la veine secondaire 8 acheminant le flux secondaire Fs, ou dans le cas où le débit d’air est réintroduit dans le milieu ambiant (cas courant pour la régulation des bas régimes), le conduit 17 du système de décharge est plus court et est, classiquement, dépourvu de diaphragme. Ceci étant, il est courant de positionner une grille à l’extrémité aval de ce conduit 17, afin de réduire les phénomènes aéro-acoustiques générés par l’éjection de gaz à haute vitesse. Le cas où la grille est positionnée à l’extrémité du conduit est dénommé configuration libre.
Dans les deux cas de figure illustrés sur les figures 1 et 2, un rayonnement acoustique significatif résulte de l’interaction entre la grille perforée et l’écoulement qui la traverse. Ce bruit, qui peut aller jusqu’à un niveau élevé sur l’échelle du bruit perçu effectif en décibels, connu en anglais sous l’abréviation EPNdB pour « Effective perceived noise in decibels », contribue au bruit avion, lors des transitions de régimes et à faible régime.
Il est connu une grille ayant des orifices en forme de venturi. L’objectif de l’utilisation de cette forme pour les orifices de la grille est d’amorcer l’écoulement au niveau du col (Nombre de Mach = 1 au niveau du col) et d’éviter la formation non contrôlée de chocs en aval de la grille. Ceci étant, la configuration de perforation proposée donne systématiquement lieu à une rupture de la section de passage au niveau de la surface amont de la grille (transition entre la section de passage associée au conduit et la section de passage à l’entrée dans la grille).
En outre, il est connu du document WO 2015/110748 une stratégie de réintroduction de la charge prélevée, ainsi que l’utilisation d’un diaphragme micro-perforé pour minimiser les pénalités acoustiques associées aux phénomènes supersoniques générés en aval de ce diaphragme.
Il est également connu du document EP 3097276 des grilles de vanne de décharge présentant des canaux de forme circulaire et présentant un angle de perforation en entrée inférieur à 45° voie inférieur à 35°.
Parmi les sources de bruit identifiées lors du passage de l’écoulement à travers la grille, deux bruits sont particulièrement gênant : le bruit de mélange généré comme son nom l’indique par le mélange de l’écoulement dans les jets générés par la grille, et le bruit de choc qui peut apparaitre lorsque l’écoulement devient supersonique à la sortie de la grille.
L’invention vise à proposer une grille améliorée permettant de minimiser l’intensité des phénomènes aéro-acoustiques générés par ce type de système de décharge et plus particulièrement de réduire le bruit de mélange et le bruit de choc.
Dans un objet de l’invention, il est proposé une grille de traitement acoustique destinée à être montée à l’intérieur ou en sortie d’un conduit d’une vanne de décharge d’une turbomachine d’un aéronef destinée à acheminer un flux gazeux, la grille comprenant une plaque perforée comportant des orifices traversant.
Selon une caractéristique générale de l’invention, les orifices de la plaque perforée ont des motifs anguleux.
Les motifs anguleux des orifices permettent d’augmenter la surface de cisaillement de l’écoulement destiné à traverser la plaque perforée et ainsi d’améliorer le mélange et la dissipation de l’énergie du jet. Cela permet de réduire l’intensité des phénomènes aéroacoustiques générés par une vanne de décharge dans laquelle la grille est destinée à être montée.
Selon un premier aspect de la grille de traitement acoustique, le motif des orifices peut s’inscrire dans un cercle circonscrit et comprend des points du motif confondu avec le périmètre du cercle circonscrit et des sommets du motif disposés à l’intérieur du cercle circonscrit, lesdits sommets étant situés à une distance du périmètre du cercle circonscrit comprise entre 1% et 50% du rayon du cercle circonscrit.
Plus la distance entre les sommets internes, c’est-à-dire les sommets du motif de l’orifice à l’intérieur du cercle circonscrit, et le périmètre du cercle circonscrit est importante, meilleure est l’efficacité du mélange en sortie de la plaque perforée.
Selon un deuxième aspect de la grille de traitement acoustique, la plaque perforée peut comprendre, pour chaque orifice, des bords détourant chaque orifice, lesdits bords formant un angle compris entre 5° et 170° avec une direction orthogonale à un plan dans lequel s’étend la plaque perforée.
Plus l’angle de pénétration est proche de 90°, plus la perturbation de l’écoulement est importante de par l’augmentation de l’énergie cinétique turbulente en aval de la plaque, et meilleure est l’efficacité du mélange en sortie de la plaque.
Selon un troisième aspect de la grille de traitement acoustique, la plaque perforée peut comprendre une face amont destinée à recevoir le flux gazeux et une face aval parallèle à la face amont et destinée à délivrer le flux gazeux reçue sur la face amont, et la grille peut comprendre en outre une plaque perforée additionnelle appuyée contre la face amont de ladite plaque perforée, la plaque perforée additionnelle comprenant des orifices circulaires dont le diamètre est supérieur ou égal au diamètre circonscrit du motif anguleux d’un orifice de la plaque perforée.
L’utilisation d’une plaque perforée additionnelle comprenant des orifices avec une forme simple permet de réaliser une grille présentant une épaisseur plus importante en s’affranchissant de certaines difficultés techniques liées à la réalisation de motifs anguleux dans une plaque épaisse.
Selon un quatrième aspect de la grille conique de traitement acoustique, les orifices circulaires de la plaque perforée additionnelle peuvent être alignés avec les orifices à motifs anguleux de ladite plaque perforée.
Selon un cinquième aspect de la grille de traitement acoustique, les diamètres de la plaque perforée et de la plaque perforée additionnelle peuvent être égaux.
Selon un sixième aspect de la grille de traitement acoustique, la plaque perforée additionnelle peut être fixée à la plaque perforée par collage, ou sertissage, ou soudure.
Selon un septième aspect de la grille de traitement acoustique, la surface de chaque orifice circulaire de la plaque perforée additionnelle peut être supérieure à la surface de chaque orifice de la plaque perforée.
Selon un huitième aspect de la grille de traitement acoustique, le motif des orifices peut être une étoile.
La forme en étoile est un motif simple qui permet de maximiser la surface de contact entre le jet et l’écoulement à son interface tout en imprimant une forme très instable dans la structure du jet. La forme « imprimée » dans le jet qui se propage en aval de la perforation est beaucoup plus instable qu’une perforation circulaire, ce qui permet d’homogénéiser le jet sur une distance de propagation plus courte.
Selon un neuvième aspect de la grille de traitement acoustique, le motif des orifices peut être asymétrique.
Dans un autre objet de l’invention, il est proposé une vanne de décharge pour turboréacteur d’aéronef comprenant un conduit destiné à acheminer un flux gazeux et une grille telle que définie ci-dessus.
Selon un premier aspect de la vanne de décharge, la plaque perforée peut comprendre une couronne de fixation sur sa périphérie s’étendant sur un diamètre supérieur au diamètre du conduit sur lequel la grille est fixée.
Selon un deuxième aspect de la vanne de décharge, la grille peut être montée à l’intérieur du conduit.
Selon un troisième aspect de la vanne de décharge, la grille peut être montée en sortie du conduit.
Dans un autre objet de l’invention, il est proposé un turboréacteur comprenant une nacelle, un carter intermédiaire et un carter interne coaxiaux, et une vanne de décharge telle que définie ci-dessus, le carter intermédiaire et le carter interne délimitant entre eux une veine primaire d’écoulement de fluide, la nacelle et le carter intermédiaire délimitant entre eux une veine secondaire d’écoulement de fluide, et la vanne de décharge étant montée et entre la veine primaire et la veine secondaire et configurée pour prélever une portion de l’air dans la veine primaire et la délivrer dans la veine secondaire.
Dans un autre objet de l’invention, il est proposé un turboréacteur comprenant une nacelle, un carter intermédiaire et un carter interne coaxiaux, et une vanne de décharge telle que définie ci-dessus, le carter intermédiaire et le carter interne délimitant entre eux une veine primaire d’écoulement de fluide dans laquelle est montée une chambre de combustion, la nacelle et le carter intermédiaire délimitant entre eux une veine secondaire d’écoulement de fluide, et la vanne de décharge étant configurée pour prélever une portion de l’air dans la veine primaire en amont de la chambre de combustion et la délivrer dans la veine primaire en aval de la chambre de combustion.
La figure 1, déjà décrite, présente une vue en section dans un plan longitudinal d’un turboréacteur selon l’état de la technique avec une vanne de décharge à réinjection dans le flux primaire.
La figure 2, déjà décrite, présente une vue en section dans un plan longitudinal d’un turboréacteur selon l’état de la technique avec une vanne de décharge à réinjection dans le flux primaire.
La figures 3 présente schématiquement une vue en coupe d’une vanne de décharge dotée d’une grille de traitement acoustique selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La figure 4 présente une vue de face d’une plaque perforée de support de la grille de la figure 3.
La figure 5 présente une vue de face d’une plaque perforée principale de la grille de la figure 3.
La figure 6 présente un premier motif d’orifice de plaque perforée principale selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La figure 7 présente un second motif d’orifice de plaque perforée principale selon un second mode de réalisation de l’invention.
La figure 8 présente une section partielle de la plaque perforée principale à hauteur d’un orifice.
La figures 9 présente schématiquement une vue en coupe d’une vanne de décharge dotée d’une grille de traitement acoustique selon un second mode de réalisation de l’invention.
Sur la figure 3 est illustrée schématiquement une vue en coupe d’une vanne de décharge 20 dotée d’une grille de traitement acoustique selon un mode de réalisation de l’invention.
La vanne de décharge 20 pour turboréacteur d’aéronef selon le premier mode de réalisation de l’invention comprend un conduit 21 cylindrique à base circulaire destiné à acheminer un flux gazeux F et une grille 22 comprenant une plaque perforée principale 23 comprenant des premiers orifices 230 et une plaque perforée de support 24 comprenant des seconds orifices 240. Chaque premier orifice 230 est coaxial avec un second orifice 240. Et la plaque perforée principale 23 comprend un nombre de premiers orifices 230 égal au nombre de seconds orifices 240 de la plaque perforée de support 24.
Le conduit 21 définit une direction axiale DAparallèle à l’axe de symétrie cylindrique du conduit 21 et une direction radiale DRorthogonale à la direction axiale DA. La vue en coupe de la vanne de décharge 20 de la figure 3 est réalisé dans un plan comprenant la direction axiale DAet la direction radiale DR.
Dans le mode de réalisation illustré, la plaque perforée principale 23 comprend une section circulaire et la plaque perforée de support 24 comprend une section circulaire de diamètre égal à celui de la section circulaire de la plaque perforée principale 23.
Dans une variante, illustrée sur la figure 9, et sur laquelle la grille 22 de la vanne de décharge 20 est fixée à l’extrémité de sortie du conduit 21, la plaque perforée principale 23 comporte une couronne de fixation 25 s’étendant radialement autour du périmètre extérieur de la plaque perforée principale 23. Cette couronne de fixation 25 peut être formée en une seule pièce avec la plaque perforée principale 23, comme illustré sur la figure 9, ou bien fixée sur la plaque perforée principale 23.
Dans les modes de réalisation illustrés sur les figure 3 et 9, chacune des deux plaques perforées, la plaque perforée principale 23 et la plaque perforée de support 24, comprend une face amont, respectivement 232 et 242, recevant le flux gazeux F, et une face aval, respectivement 234 et 244, opposée à la face amont. La face aval 234 et 244 est la face par laquelle le flux gazeux F s’échappe après avoir traversé la plaque correspondante 23, 24.
La face amont 232 de la plaque perforée principale 23 est collée à la face aval 244 de la plaque perforée de support 24. Dans un autre mode de réalisation, les deux plaques perforées 23 et 24 pourraient être soudées, serties ou juste juxtaposées l’une à l’autre.
Le conduit 21 n’est obstruée que partiellement par la grille 22 dans le sens que le flux F peut s’écouler par les canaux formés de la grilles 22, et uniquement par ces canaux 23.
Les plaques perforées 23 et 24 de la grille 22 peuvent être réalisées en un matériau métallique ou un autre matériau résistant aux conditions thermiques notamment lorsque la vanne de décharge 20 est en fonctionnement.
Sur les figures 4 et 5 sont illustrées des vues de face respectivement de la plaque perforée de support 24 et de la plaque perforée principale 23 de la grille 22 de la figure 3. Les plaques perforées principale et de support, 23 et 24, s’étendent dans un plan radial comprenant la direction radiale DRet orthogonal à la direction axiale DA.
Comme illustré sur la figure 4, les seconds orifices 240 de la plaque perforée de support 24 possèdent une forme circulaire avec un premier diamètre D1.
Comme illustré sur la figure 5, les premiers orifices 230 de la plaque perforée principale 23 possèdent une forme en étoile à 5 branches.
Comme illustré sur la figure 6 qui présente un premier motif d’orifice de plaque perforée principale 23 selon un premier mode de réalisation de l’invention, le premier mode de réalisation étant celui illustré sur la figure 5, l’étoile s’inscrit dans un cercle circonscrit CAayant un second diamètre D2inférieur ou égal au premier diamètre D1des seconds orifices 240 circulaires de la plaque perforée de support 24.
L’étoile à 5 branches des premiers orifices 230 de la plaque perforée principale 23, comprend des premiers sommets 236 situés sur le cercle circonscrit CAet des seconds sommets 238 situés à l’intérieur du cercle circonscrit CAet répartis sur un cercle interne CBpassant par tous les seconds sommets 238.
Les seconds sommets 238 de l’étoile se situent à une distance H du périmètre du cercle circonscrit CAselon la direction radiale DR. La distance H est comprise entre 1% et 50% du rayon du cercle circonscrit CA. Cette distance H influe sur l’efficacité de mélange car elle influe sur le taux de cisaillement du flux gazeux F.
Sur la figure 7 est illustré un second motif d’orifice de plaque perforée principale 23 selon un second mode de réalisation de l’invention.
Le second motif présente également une symétrie axiale comme le premier motif et comprend une multitude de lobes quasi hémicirculaires. Chaque lobe comprend un point 236 tangent au cercle circonscrit CA. Le second motif comprend en outre des seconds sommets 238 situés à l’intérieur du cercle circonscrit CAet répartis sur un cercle interne CBpassant par tous les seconds sommets 238.
Su la figure 8 est représentée une section partielle de la plaque perforée principale 23 à hauteur d’un premier orifice 230. La section est réalisée selon un plan comprenant la direction axiale DAet la direction radiale DR.
Comme illustré sur la figure 8, les premiers orifices 230 de la plaque perforée principale 23 sont perforés dans la plaque 23 par poinçonnage selon le sens du flux gazeux F. Les bords 239 détourant chaque premier orifice 230 forment un angle α compris entre 5° et 170° avec la direction axiale DA. Cet angle permet de perturber l’écoulement du flux gazeux traversant le premier orifice 230.
Dans une variante, la grille 22 pourrait comprendre la plaque perforée principale 23 mais pas de plaque perforée de support 24.
Les vannes de décharge 20 selon les premiers et seconds modes de réalisation sont destinées à être montés sur des turboréacteurs tels que ceux présentés sur les figures 1 et 2.
La grille selon l’invention permet ainsi de minimiser l’intensité des phénomènes aéro-acoustiques générés par ce type de système de décharge et plus particulièrement de réduire le bruit de mélange et le bruit de choc grâce à l’utilisation de la troisième dimension permettant d’augmenter la séparation des jets issus des canaux et ainsi de limiter l’interaction de ces derniers et de réduire le contenu basse fréquence du bruit de mélange ors de la décharge. Et ce tout en maintenant un encombrement spatial et une masse réduits.

Claims (16)

  1. Grille (22) de traitement acoustique destinée à être montée à l’intérieur ou en sortie d’un conduit (21) d’une vanne de décharge (20) d’une turbomachine (1) d’un aéronef destinée à acheminer un flux gazeux (F), la grille (22) comprenant une plaque perforée (23) comportant des orifices (230) traversant,
    caractérisée en ce que les orifices (230) de la plaque perforée (23) ont des motifs anguleux.
  2. Grille selon la revendication 1, dans laquelle la plaque perforée (23) comprend, pour chaque orifice (230), des bords (239) détourant chaque orifice (230), lesdits bords (239) formant un angle (α) compris entre 5° et 170° avec une direction (DA) orthogonale à un plan dans lequel s’étend la plaque perforée (23).
  3. Grille (22) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle le motif des orifices (230) s’inscrit dans un cercle circonscrit (CA) et comprend des points (236) du motif confondu avec le périmètre du cercle circonscrit (CA) et des sommets (238) du motif disposés à l’intérieur du cercle circonscrit (CA), lesdits sommets (238) étant situés à une distance (H) du périmètre du cercle circonscrit (CA) comprise entre 1% et 50% du rayon du cercle circonscrit (CA).
  4. Grille (22) selon la revendication 3, dans laquelle la plaque perforée (23) comporte une face amont (232) destinée à recevoir le flux gazeux (F) et une face aval (234) destinée à délivrer le flux gazeux (F) reçue sur la face amont (232), et la grille (22) comprend en outre une plaque perforée additionnelle (24) en contact avec la face amont (232) de ladite plaque perforée (23), la plaque perforée additionnelle (24) comprenant des orifices circulaires (240) dont le diamètre (D1) est supérieur ou égal au diamètre (D2) du cercle circonscrit (CA) au motif anguleux des orifices (230) de la plaque perforée (23).
  5. Grille (22) selon la revendication 4, dans laquelle les orifices (240) circulaires de la plaque perforée additionnelle (24) sont alignés avec les orifices (230) à motifs anguleux de ladite plaque perforée (23).
  6. Grille (22) selon l’une des revendications 4 ou 5, dans laquelle les diamètres de la plaque perforée (23) et de la plaque perforée additionnelle (24) sont égaux.
  7. Grille (22) selon l’une des revendications 4 à 6, dans laquelle la plaque perforée additionnelle (24) est fixée à la plaque perforée (23) par collage, ou sertissage, ou soudure.
  8. Grille (22) selon l’une des revendications 4 à 7, dans laquelle la surface de chaque orifice circulaire (240) de la plaque perforée additionnelle (24) est supérieure à la surface de chaque orifice (230) de la plaque perforée (23).
  9. Grille (22) l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle le motif desdits orifices (230) de la plaque perforée (23) est une étoile.
  10. Grille (22) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le motif des orifices (230) de la plaque perforée (23) est asymétrique.
  11. Vanne de décharge (20) pour turboréacteur (1) d’aéronef comprenant un conduit (21) destiné à acheminer un flux gazeux (F) et une grille (22) selon l’une des revendications 1 à 10.
  12. Vanne de décharge (20) selon la revendication 11, dans laquelle la plaque perforée (23) comprend une couronne de fixation (25) sur sa périphérie s’étendant sur un diamètre supérieur au diamètre du conduit (21) sur lequel la grille (22) est fixée.
  13. Vanne de décharge (20) selon l’une des revendications 11 ou 12, dans laquelle la grille (22) est montée à l’intérieur du conduit (21).
  14. Vanne de décharge (20) selon l’une des revendications 11 ou 12, dans laquelle la grille (22) est montée en sortie du conduit (21).
  15. Turboréacteur (1) comprenant une nacelle (2), un carter intermédiaire (3) et un carter interne (4) coaxiaux, et une vanne de décharge (20) selon la revendication 13, le carter intermédiaire (3) et le carter interne (4) délimitant entre eux une veine primaire (7) d’écoulement de fluide dans laquelle est montée une chambre de combustion (13), la nacelle (2) et le carter intermédiaire (3) délimitant entre eux une veine secondaire (8) d’écoulement de fluide, et la vanne de décharge (20) étant configurée pour prélever une portion de l’air dans la veine primaire (7) en amont de la chambre de combustion (13) et la délivrer dans la veine primaire (7) en aval de la chambre de combustion (13).
  16. Turboréacteur (1) comprenant une nacelle (2), un carter intermédiaire (3) et un carter interne (4) coaxiaux, et une vanne de décharge (20) selon la revendication 14, le carter intermédiaire (3) et le carter interne (4) délimitant entre eux une veine primaire (7) d’écoulement de fluide, la nacelle (2) et le carter intermédiaire (3) délimitant entre eux une veine secondaire (8) d’écoulement de fluide, et la vanne de décharge (20) étant montée et entre la veine primaire (7) et la veine secondaire (8) et configurée pour prélever une portion de l’air dans la veine primaire (7) et la délivrer dans la veine secondaire (8).
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