Brevet FR2044695A1 — publié le 19710226

La présente invention concerne les groupes propulseurs à réaction pour avions, et elle a pour objet général la réduction des bruits émis par ces groupes. La fréquence acoustique du jet d'un groupe propul-5 seur à réaction est fonction de la vitesse de ce jet et de la surface de la section de la tuyère par laquelle il est projeté, ladite fréquence augmentant et diminuant respectivement lorsque cette vitesse et cette surface augmentent. Plus la fréquence acoustique est élevée, plus forte est l'atténuation du bruit 10 par le milieu environnant, et plus ce bruit se rapproche de la limite supérieure de 1'audibilité humaine. Il a été essayé de réduire le bruit émis par un jet propulseur en modifiant la structure de la tuyère d'éjection de façon à porter la fréquence du bruit à une valeur pour la-, 15 quelle ce bruit est fortement atténué-par le milieu environnant, ou devient même inaudible. Ce résultat a été obtenu en divisant le jet, qui normalement est éjecté par une seule tuyère, en plusieurs jets éj.ectés par une pluralité de tuyères plus petites. Mais 11 expérience a^montré que les gaz d'échappement des 20- turboréacteurs classiques, c'est-à-dire d'un moteur à flux axial comprenant un compresseur, une chambre de combustion, -une turbine et une tuyère montés en série n'ont pas une pression suffisante pour qu'il soit possible de diviser le jet et de le faire éjecter par plusieurs tuyères de section suffisam-25 ment réduite et |i une vitesse suffisamment élevée pour obtenir une réduction satisfaisante du bruit sans perte de rendement inaceeptable, ou sans augmentation exagérée des dimensions. L'un des objets de la présente invention est la réduction ou la suppression de ces inconvénients. 30 Selon l'invention il est prévu, dans un groupe pro pulseur à réaction pour avion comprenant .un conduit dans lequel sont montés en série un compresseur, une chambre de combustion, une turbine mettant en rotation le compresseur et une première tuyère, un deuxième conduit branché sur le premier, 55 alimenté par les gaz qui circulent dans celui-ci et se terminant par une pluralité de tuyères secondaires, l'ensemble étant caractérisé en ce que ce deuxième conduit est branché sur le premier en un point où la'pression est suffisamment élevée pour que la pression à l'éjection dans chacune des tuyères secondai-40 res soit telle que le bruit des gaz éjectés ait un spectre de 70 08058 2 2044695 fréquences dont la crête se situe dans la région des ultrasons. De préférence, ces tuyères secondaires sont disposées suivant au moins une rangée, pour permettre à l'air ambiant d'accéder facilement à ces tuyères et pour réduire la 5 surface frontale du groupe propulseur. L'invention est.aussi applicable aux avions à décollage et atterrissage courts ou verticaux et, à cet effet, il peut être prévu une rangée de tuyères secondaires éjectant vers le bas, parallèle à l'axe commun du compresseur et de la tur-10 bine, placée à l'aval de la tuyère principale et déportée par rapport au jet éjecté par celle-ci. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui va suivre, description faite à titre purement explicatif et nulle-. 15 ment limitatif, et avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une vue en plan d'un avion équipé de quatre groupes propulseurs conformes à l'invention-. La figure 2 est une coupe faite suivant le plan II-20 II de la figure 1, et dessinée à plus grande échelle. La figure 3 est une vue par dessous, prise suivant la flèche III de la figure 2. La figure 4 est une vue par l'arrière suivant la flèche IY de.la figure 2. 25 La figure 5 est une coupe faite suivant le plan Y-Y de la figure 2, et dessinée à plus grande échelle. La figure 6 est une coupe faite suivant le plan YI-YI de la figure 5* La figure 7 est une vue en perspective montrant un 30 détail des figures 5 et 6. La figure S est un graphique représentant le spectre des fréquences sonores d'un jet, et son atténuation pour deux modes d'éjection différents ; et La figure 9 est un graphique représentant les va-35 riations du bruit d'un jet, pour -des rapports de pression différents. Sur les figures 1 à 7 ûes dessins annexés, le groupe propulseur représenté, et désigné dans son ensemble par la référence P, comprend un moteur E formant un conduit axial 10 40 dans lequel sont montés en série un compresseur 11, une cham 70 ÛS058 2044695 bre de combustion 12, une turbine 13 mettant en rotation le compresseur, et une tuyère principale H1. Cette tuyère IT1 est dirigée vers l'arrière par rapport à là ligne de vol de lîavion 15 (figure 1) sur lequel est monté le groupe propulseur, et il 5 est prévu à l'arrière de cette tuyère un déflecteur 16 en forme de calotte sphérique qui dirige le jet vers le bas, lorsque cela est nécessaire. Une fraction seulement de l'air refoulé par le com?-presseur 11 est envoyée dans la chambre de combustion 12. L'au-10 tre fraction de cet air passe par un orifice 20 de partage du flux, et circule dans un conduit de dérivation 21 que des volets 22 peuvent mettre en communication soit avec un conduit de branchement 23 qui se termine par une tuyère 24 dirigée vers l'arrière, soit avec un conduit de branchement 25 qui se 15 termine par une pluralité de tuyères secondaires N2 dirigées vers le bas. Les tuyères H2 sont disposées en deux rangées (figure ; 3.) orientées parallèlement à l'axe commun du compresseur et de la turbine, et elles sont situées au-dessus de la tuyère 20 E1. Cette disposition permet de réduire la section du groupe propulseur et de disposer les nombreuses tuyères ÏT2 de façon que l'air ambiant ait facilement accès à chacune d'elles, et puisse ainsi se mélanger à leurs jets pour contribuer à l'atténuation du bruit émis. 25 Ainsi qu'on le voit sur les figures 5 et 6, entre le conduit 25 et chacune dès tuyères If2 il est prévu une chambre de combustion 27 alimentée en combustible par des tuyauteries 28, et qui élèvent la température du flux aboutissant aux tuyères 1T2. Les gaz sortant de chacune des chambres de combus-30 tion 27 sont répartis par- un distributeur central rectangulaire 31 entre une pluralité d'orifices d'éjection rectangulaires 29 séparés les uns des autres par des cloisons 30, la surface d'éjection utile de chacune des tuyères 1T2 étant celle de l'orifice d'éjection 29 compris entre deux de ces cloisons, 35 ou entre l'une, des extrémités latérales de la tuyère et la cloison adjacente. Les distributeurs centraux 31 sont creux et chacun forme intérieurement une cavité 32 par laquelle s'introduit l'air ambiant, ainsi.que le montrent les flèches 33-40 -Des volets rétractables 34 formant écrans prévus 70 08058 t+ 2044695 sous les tuyères H2, évitent l'étalement des bruits émis par ces tuyères gui, ainsi qu'on le voit sur la figure 2, constituent un front d'émission sonore relativement large. . L'avion 15 représenté sur la figure 1 est équipé de 5 quatre groupes propulseurs P régulièrement espacés de part et d'autre de son axe longitudinal» Les conduits 25 de chacun de ces groupes sont reliés par un conduit 35 Lorsqu'on désire effectuer un décollage vertical le déflecteur 16, les volets 22 et les volets 34 sont conduits à l'aide de dispositifs de commande appropriés à leurs positions représentées en traits pleins sur les dessins annexés. Le pas-■15 sage du vol vertical au vol horizontal est obtenu en amenant le déflecteur'16 à sa position d'effacement, et en faisant pivoter les volets 22 de façon qu'ils dirigent le flux dévié en direction du conduit de dérivation 23. Le moteur du groupe peut être à rotor simple ou à 20 rotors multiples, et le branchement du conduit 21 peut toujours s'effectuer au point approprié le long du ou des compresseurs, pour que soit obtenue la pression désirée dans ce conduit « Les chambres de combustion 27 ne sont pas indispen-25 sables dans le cas où la pression disponible est élevée et la poussée désirée relativement faible, et aussi dans le cas où un sacrifice est acceptable, quant à la puissance massique du moteur» On remarquera que le groupe propulseur conforme à 30 l'invention permet d'obtenir avec un moteur unique une poussée horizontale et une poussée verticale, et qu'il comporte des-dispositifs d'atténuation des bruits qu'il est particulièrement important d'utiliser en cas d'emploi de la poussée verticale» 35 La dispositionparti'culière du groupe propulseur réalisé suivant l'invention, suivant laquelle les gaz de com-bution sont éjectés par une tuyère principale U1 de section relativement importante, et par une pluralité de petites tuyères secondairesÎT2, permet d'obtenir une réduction globale du 40 b;ruit qu'il serait impossible d'atteindre si la totalité des 70 08058 5 2044695 gaz d'échappement du groupe était éjectée par la seule tuyère JST1. En. effet, on comprend aisément que 1) la valeur relativement élevée de la pression fournie à la turbine, et nécessaire pour entraîner en rotation un compresseur capable d'alimenter 5 à la fois la chambre de combustion 12 et le conduit de dérivation 21, permet de diminuer la vitesse d'éjection du jet à la tuyère ÏST1 et, par suite, le bruit émis par cette tuyère, et que 2) la pression élevée qui alimente le conduit 21 permet d'augmenter le rapport vitesse/section des jets, et par conséquent 10 la fréquence du bruit émis par les tuyères N2, au point qu'une fraction importante de ce bruit est soit très atténuée par l'atmosphère environnante, soit repoussée hors de la région des sons audibles. Les calculs permettant de réaliser ces conditions sont bien connus de tout homme du métier, et il est 15 seulement nécessaire d'en préciser les parties qui ont un rapport direct avec l'invention. Les bases de départ du calcul sont la valeur connue de la poussée totale nécessaire en direction verticale, et des approximations de départ en ce qui concerne la masse tota-20 le requise pour le flux, le taux de dérivation (c'est-à-dire le rapport des masses des flux circulant respectivement dans le conduit principal et dans le conduit de dérivation), les valeurs des pressions et des températures dans le conduit principal et dans le conduit de dérivation, et autres données ou ap-25 proximations analogues. Des calculs séparés sont ensuite effectués pour le conduit principal et pour le conduit de dérivation, en vue de déterminer la vitesse des jets, la poussée totale, la poussée spécifique, la consommation spécifique de combustible et le 30 niveau des bruits. Les résultats de ces deux calculs sont ensuite comparés et, si nécessaire, repris .de façon à obtenir le compromis optimal entre la consommation totale de combustible, les poussées, les poids, etc. Ces calculs par itération sont courants pour tout homme de l'art. 35 Dans les calculs qui concernent le conduit princi pal, la vitesse du jet est maintenue suffisamment basse pour éviter un bruit excessif, et si, dans le calcul initial, la pression choisie pour le conduit principal se traduit par une vitesse du jet trop élevée, le taux de dérivation est abaissé 40 de façon à réduire la vitesse du flux dans le conduit principal. 70 08058 6 2044695 Cette considération détermine la position, sur la longueur du conduit principal, du point auquel le flux doit être divisé en deux fractions, ce point de branchement du conduit de dérivation devant être déplacé vers l'amont du compresseur si la va-5 leur de la pression dans le conduit principal doit être réduite, et vice versa» Une valeur typique de la vitesse du flux dans le conduit principal est 285 m/s. Dans les calculs relatifs au conduit de dérivation, le but est d'obtenir une vitesse élevée et non faible des jets 10 éjectés et, à seul titre d'exemple non limitatif, des chiffres typiques sont donnés ci-après à ce sujet. En supposant un taux de dérivation de 15/1 et vme température de 1 000°K, le calcul donne line vitesse d'environ 1 050 m/s. A cette vitesse, et pour une masse du flux fournis- 15 sant une poussée de 9 000 kg, le calcul donne une section to- p taie s'éjection d'environ 440 cm . En supposant que cette section soit répartie entre 346 tuyères de 12,5 mm de diamètre (c'est-à-dire d'une section d'environ 1,3 cm ), on obtient la crête de fréquence du spectre du bruit émis par la relation 20 simple ci-après : ' Grête 4e îré9Uenoe - alamI^fae la toyère X I,0ml^0^6l Le nombre de Strouhal est égal à environ 0,19 à l'angle de radiation du bruit maximum, et la crête de fréquen-25 ce cherchée est dans l'exemple énoncé d'environ 16 000 Hz, fréquence qui est supérieure à la limite supérieure d'audibi-lité par 1'oreille humaine » La cotirbe A de la figure 8 où on a porté en abscisses l'intensité sonore en dB; pour l'octave 1/3 et en ordon-30 nées la fréquence en Hz représente le spectre de l'intensité du bruit non atténué émis par les 346 tuyères précitées, et la courbe 3 représente ce spectre après atténuation sur un parcours de 450 m. Les courbes C et D représentent les mêmes p spectres dans le cas d'une tuyère unique de 440 cm de section 35 et l'on voit que, bien que les intensités de crête des spectres correspondants soient égales au départ (courbes A et C) l'intensité maximale du bruit, après l'atténuation précitée, est bien moindre dans le cas des 346 tuyères que dans le cas de la tuyère unique. 40 La figure 9 est un graphique comportant deux famil- 70 08058 7 2044695 les de courbes qui représentent les variations du "bruit émis par les 346 tuyères en fonction des variations du rapport des pressions et de la distance de la source du bruit. On remarquera la façon dont l'intensité sonore s'élève lorsque le rap-5 port des pressions diminue. Il s'ensuit que, à moins que ce rapport des pressions soit relativement élevé, il est nécessaire d'employer un très grand nombre de tuyères très petites pour obtenir une atténuation appréciable du bruit. Les calculs ont montré que pour des rapports des pressions inférieurs à 5/1» p 10 et pour des sections de tuyères inférieures à 1,3 cm , une amélioration de l'atténuation des bruits ne peut pas être pratiquement réalisée par augmentation de leur fréquence d'émission. Ceci est dû partiellement au fait que le rendement propre de chaque tuyère diminue alors par trop, en raison de la prépon-15 dérance prise par la couche limite, et partiellement au fait que la réalisation d'un ensemble comportant un grand nombre de petits orifices pose de sérieux problèmes de construction. Même dans le cas de tuyères dont la section est de l'ordre de p 1,3 cm une structure spéciale, telle que celle représentée sur 20 les dessins annexés, est nécessaire pour conserver à l'ensemble les caractéristiques désirées, en particulier en ce qui concerne la succion de 1'air ambiant. De même qu'en ce qui concerne la réduction de la section d'éjection des tuyères, il existe des limites prati-25 ques en ce qui concerne l'augmentation du rapport.des pressions, de la température et de la vitesse du jet. Les chiffres donnés plus haut (15/1 pour le rapport des pressions, 1 000° K pour la température, et 1050 m/s pour la vitesse du jet) se situent largement dans les limites permises par la technologie actuelle, 30 mais des perfectionnements dans la construction des éléments en jeu et de meilleures caractéristiques -des matières réfrac-taires pourraient permettre d'envisager une augmentation de ces chiffres. Bien entendu, la présente invention n'est pas limi-35 "fcée aux modes de réalisation décrits, mais s'éteiiLà toute les variantes conformes à son esprit. 08058 8 2044695 BEVBffllOAIIOBE 1 - Groupe propulseur à "réaction pour avions, comprenant un conduit dans lequel sont montés en série un compresseurr une chambre de combustion, une turbine mettant en rotation le compres- 5 seur et une tuyère principale et un deuxième conduit branché sur le premier, alimenté par les gaz qui circulent dans celui-ci et se terminant par une pluralité de tuyères secondaires ; l'ensemble étant caractérisé en ce que ce deuxième conduit est branché sur le premier en un point où la pression est suffisam-10 ment élevée pour que la pression à l'éjection dans chacune des tuyères secondaires soit telle que le bruit des jets éjectés ait un spectre de fréquence dont la crête se situe dans la région des ultrasons» 2 - Groupe propulseur selon la Revendication 1, caractérisé 15 "par le fait que les tuyères secondaires sont disposées suivant au moins une rangée. 3 - Groupe propulseur selon la Revendication 2, caractérisé par le fait que les tuyères secondaires sont dirigées vers le bas ( par rapport à l'avion), et sont disposées suivant une 20 r.angée alignée sur l'axe commun du compresseur et de la turbine, rangée située à l'aval de la tuyère principale, et déportée par rapport à la direction du jet émis par cette tuyère principale» 4 - Groupe propulseur selon la Revendication 3, caractérisé 25 par le fait qu'il comporte des dispositifs permettant de dévier le jet dirigé vers l'arrière (par rapport à l'avion) sortant de la tuyère principale, et le dirigeant suivant une direction qui donne à sa vitesse une composante orientée vers le bas. 30 5 - Groupe propulseur selon la Revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte des écrans'rétractables, parallèles à la rangée de tuyères secondaires et situés à l'aval de ces tuyères, à une position propre à limiter l'étalement latéral des bruits émis par cette rangée de tuyères. 35 ô - Groupe propulseur selon la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un troisième conduit branché sur le deuxième, en un point situé "entre le premier conduit et les tuyères secondaires, une troisième tuyère placée à l'extrémité 70 ÔÔ058 2044695 de ce troisième conduit, et des volets permettant de diriger le flux dans le deuxième conduit, ou de dériver ce flux de façon qu'il.ne soit pas éjecté par les tuyères secondaires, mais bien par ladite troisième tuyère. 5 7 - Groupe propulseur selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que chacune des tuyères secondaires comporte deux conduits d'éjection rectangulaires situés respectivement sur l'un et l'autre côté d'un distributeur central rectangulaire (en coupe perpendiculaire à la direction générale d'éjection du 10 flux) et qui forme une cavité intérieure reliant son extrémité aval à l'un au moins de ses côtés, de façon que l'air ambiant attiré par succion s'introduise entre lesdits conduits d'élection rectangulaires.