Brevet FR2086366A1 — publié le 19711231

La présente invention concerne les tuyères pour turbo-moteur et plus particulièrement des dispositifs destinés à diminuer le bruit qu'elles provoquent. Depuis Quelques années, le bruit, provoqué par les avions à réaction est devenu suffisamment intense pour affecter les personnes qui habitent ou travaillent à proximité des aéroports, de sorte que 13 industrie aéronautique er général et plus particulièrement .les motoristes fabriquant des turbomoteurs se sont attachés à résoudre ce problème préoccupant. La propulsion par turbomoteurs est devenue si courante que les administrations responsables ont édicté des normes de niveaux sonores auxquelles les avionneurs et les motoristes doivent se plier pour que l!appareil reçoive son certificat de navigabilité. La réduction du niveau sonore émis par les svions à réaction a donc fait l'objet d'une somme considérable d'études et de recherches. Malgré ces moyens considéiables, le problème n'est pas résolu "car les niveaux sonores restent exagérément élevés. La présente invention a donc pour objet une tuyère d'éjection pour des turbomoteurs à rapport de pression et à températures de sortie élevés ayant des caractéristiques acoustiques et des performances améliorées comparées aux tuyères classiques, tout en étant relativement moins coûteuses à réaliser. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, une tuyère d'éjection comprend plusieurs cônes ou fuseaux de vitesse répartis autour de sa périphérie. Les fuseaux sont de différentes longueurs et le plus long est placé en haut de la tuyère pour constituer une lentille acoustique déviant le cône de bruit maximum de la tuyère de façon que les fortes intensités sonores soient concentrées vers le haut. Au moins l'un des f'useaux doit être mobile axialement pour optimiser les caractéristiques de réduction du bruit, ce qui permet en outre de régler le rapport de pression des gaz au niveau de la tuyère. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit et des dessins sur lesquels! la figure 1 représente schématiquement un turbomateur classique et le cône de propagation des ondes sonores f 71 02547 2 2086366 la figure 2 est un schéma illustrant la manière dont le bruit d'un turbomoteur classique se propage ? la figure 3 illustre schématiquement un turbomoteur équipé de la tuyère d'éjection de l'invention et montre la propagation 5 du bruit ; la figure 4 est une coupe axiale agrandie d'une tuyère d'éjection réalisée selon les principes de l'invention j la figure 5 représente l.a tuyère de la figure 4 vue en bout- de l'arrière g 10 la figure 6 représente schématiquement une tuyère rectan gulaire réalisée selon les principes de l'invention ? la figure 7 est une vue en ftout de l'arrière de la tuyère de la figure 6 2 la figure 8 représente schématiquement un turboréacteur à 15 soufflante canalisée équipé de silencieux conformes à l'invention. Sur les dessins, les éléments identiques sont désignés par les mimes références sur toutes les figures. La figure 1 représente de manière simplifiée in turboréacteur 10 comprenant un compresseur 12s des chambres de combustion 14 et une turbine 16 dont le rotor 20 entraîne mécaniquement le compresseur 12. Comme on le sait, l'air ambiant pénètre par une prise d'air 1B dans le compresseur 12 où il est comprimé avant d'être introduit dans les chambres de combustion 14 dans lesquelles brûle un carburant à haute température. Les gaz sortant des chambres de combustion effectuent un certain travail en 25 passant dans la turbine 16 et le reste de leur énergie cinétique est transformée dans une tuyère d'éjection 20 en une poussée servant à la propulsion d'un aéronef sur lequel est monté le moteur. On injecte fréquemment du carburant en amont de la tuyère d'éjection 20 au moyen d'un système de post~combustion 21 pour accroître la 30 vitesse des gaz et augmenter la poussée que délivre le moteur 10. Des ondes sonores apparaissant dans un carter ou canal 22 qui entoure le moteur 10 sont rayonnées par la tuyère d'éjection 20 en un cône de bruit maximum à divergence relativement large qui est; schématiquement représenté par les droites A sur la figure 1. La grande ou-35 verture du cône de propagation permet aux ondes sonores d'atteindre après un parcours très réduit les zones peuplées que survole l'avion, particulièrement au moment de l'approche ou du décollage d'un aéroport. 71 0254/ 3 2086366 La figure 2 montre qu'une petite modification de la directivité entraîne une variation relativement importante du niveau sonore maximal et de la durée au niveau du sol» Par exemple, à une trajectoire de propagation A faisant en angle 0 1 avec la verticale 5 correspond un certain parcours des ondes pour atteindre le niveau du solo Si l'angle augmente légèrement jusqu'à 0 2, la trajectoire de propagation résultante B est beaucoup plus longue ce qui se traduit par une réduction sensible de l'intensité sonore au niveau du solo Cette réduction d'intensité est convertionneHement appelée 10 A PNdB. En outre, le gradient de température existant entre le sol et l'altitude de l'aéronef provaque une légère courbure des trajectoires de bruit maximum. La figure 2 représente l'effet du gradient de température sur les trajectoires A et B qui deviennent respectivement A' et B® „ Cet effet est d'autant plus prononcé que l'angle 15 (9 est grand, ce qui se traduit par une nouvelle réduction de l'intensité sonore mesurée au niveau du sol, La tuyère, de l'invention permet donc d'augmenter l'angle© , c'est-à-dire l'angle de propagation des ondes sonores les plus intenses émises par un turbomoteurLa f igure 3 illustre schémati-20 quement Ifeffet du dispositif de l'invention qui modifie l'ouverture du cfine de propagation du bruit émis par une tuyère d'éjection. La figure 3 représente un turboréacteur 10' qui est semblable au turboréacteur 10 de la figure 1 à l'exception du système de concentration vers le haut des ondes sonores s haute intensité.. Le système atté-25 nuateur de bruit augmente ia section du jet de gaz avec un minimum de turbulence, comme sont sensées le faire les tuyères "Greatrex" connues depuis plusieurs années» Les spécialistes saventbien que les formes de tuyères JÎGreatrex'" actuellement utilisées ont l'inconvénient de diminuer la poussée du turbomoteur. La tuyère de 30 l'invention représentée figures 3 et 4 diffère des tuyères ,fGreatrex" par le fait que ces dernières augmentent la surface de cisaillement du jet sn interposant des éléments structurels dans certaines parties du flux de gaz. Contrairement à ce principe, la tuyère des figures 3 et 4 augmente la surface de cisaillement du jet par effet 35 "Coanda". Lb turboréacteur 10' est ainsi équipé d'un silencieux à détente "Coanda1" indiqué dans son ensemble par la référence 24 et 71 0254/ 4 2086366 qui comprend plusieurs cônes ou fuseaux de vitesse 26 disposés autour de la périphérie d'une tuyère d'éjection 2Ù». Les fuseaux 26 ont une forme conique dont le sommet est situé au niveau ou en aval de l'extrémit-ê aval de la tuyère 20" et dont la base se 5 raccorde sans décrochement à la paroi de la tuyère pour réaliser une transition progressive. Les fuseaux 26 ont des longueurs axiaies variables, le plus long étant situé en haut de la tuyère 20', comme le montre clairement la coupe de la figure 4. Les fuseaux de différentes longueurs ont l'effet global d'une lentille 10 acoustique pour le jet éjecté dont la directivité change de façon à réduire l'intensité du bruit au niveau du sol. Les fuseaux de vitesse 26 peuvent avoir une géométrie fixe, mais il est préférable qu'au moins l8un d'eux soit mobile axialement pour optimiser le changement de directivité. La translation axiale des fuseaux a en 15 outre l'avantage de fournir un moyen simple de régler le rapport de pression au niveau de la tuyère 20'„ Comme on l'a vu précédemment, l'effet "Coanda" introduit les gradients de vitesse nécessaires pour obtenir l'effet voulu de lentille acoustique. En d'autres termes, les fuseaux 26 sont 20 dessinés pour que le jet s'accroche à chaque cône en sortant du canal 22. L'effet global de ceci est de diviser le jet unique en plusieurs petits jets de section différente accrochés à chacun des fuseaux de vitesse 26. Les résultats obtenus sont les sui\aits g premièrement la division en plusieurs jets de petite 25 section déplace le spectre des fréquences acoustiques d'où une réduction de la fraction de l'énergie sonore qui se trouve dans la plage audible et la possibilité de tirer parti du meilleur affaiblissement de l'atmosphère aux fréquences sonores élevées. Deuxièmement, les jets multiples créent une couche limite réac-30 tive pour les fluctuations de pression et les turbulences proches, ce qui réduit la production d'ondes acoustiques. Troisièmement, les jets multiples ramènent l'énergie sonore émise à une proportion inférieure à la sixième puissance de la vitesse des gaz éjectés, alors que les silencieux classiques permettent l'émission 35 d'énergie acoustique proportionnelle à la huitième puissance de la vitesse des gaz. 71 02547 5 2086366 Lorsque les gaz éjectés s'attachent aux fuseaux 26 la composante radiale de l'écoulement et l'effet "Coanda" font qu'un flux de gaz enveloppe chacun des fuseaux 26o La circulation des gaz dans la région de chaque fuseau crée ainsi un mouvement 5 tourbillonnaire ou composante de turbulence autour de chacune des pointes termini.es. Les avantages acoustiques de cet effet sont les suivants s L-a turbulence qui résulte de l'écoulement à grande vitesse autour des fuseaux 26 est obligée de converger car elle se pro-10 page le long de cônes de diamètres décroissants. La dimension des tourbillons est ainsi stabilisée à une valeur minimale, la couche est réactive et les ondes acoustiques cèdent une partie de leur énergie en chaleur, ce qui a pour effet de déformer le diagramme des ondes de choc. Toutes les considérations ci-dessus contribuent 15 à la réduction de l'intensité sonore. La tuyère de l'invention permet en outre de réduire les "bouffées" ou traira d'impulsions sonores à basse fréquence provoqués par les à-coups du jet car les fuseaux 26 assurent un couplage plus efficace entre le flux éjecté et l'atmosphère ambiante. 20 De plus, les fuseaux 26 qui sont en haut de la tuyère étant plus longs que ceux qui sont en bas, la vitesse d'écoulement des jets qui restent attachés aux cônes du haut est supérieure à celle de ceux qui se sont déjà détachés des cônes du bas. Ceci provoque unB convergence de la directivité du jet. Etant donné que les jets 25 sont d'autant plus diffractés que leur énergie est faible, la concentration de l'écoulement dans le haut de la tuyère a pour avantage de dévier vers le haut l'angle de l'énergie sonore la plus intense. Dans le passé, on a utilisé des tuyères "en marguerite" pour 30 réduire le bruit des turbomoteurs. Le but principal de la "marguerite" était d'augmenter le lieu de la périphérie de la sortie de la tuyère de façon à réduire les gradients de cisaillement qui sont associés au flux éjecté. Les fuseaux de vitesse 26 réduisent également les gradients de cisaillement, mais, ce qui est plus impor-35 tant, minimisent la turbulence en aval de la tuyère. On sait que l'énergie sonore est fonction à la fois de vitesses de cisaillement élevées et de turbulences impartantes. Les effets combinés de la 71 02547 6 2086366 tuyère de l'invention permettent donc de réduire le bruit dans des proportions plus importantes que ne le font les tuyères classiques "en marguerite'". Les figures 4 et 5 représentent les fuseaux de vitesse 5 26 disposés autour de la périphérie d'un tuyère circulaire classique. L'expérience a cependant montré que la réduction du niveau sonore était la plus efficace quand les jets distincts associés aux fuseaux 26 sont espacés d'environ un diamètre. Pour réaliser cette condition, il peut être avantageux d'utiliser une 10 tuyère rectangulaire semblable à celle de la figure 6. Cette forme assure une séparation optimale des fuseaux 26 et une réduction maximale du bruit. Une telle configuration a en outre l'avantage de simplifier le mécanisme d'inversion de poussée et de réduire le coût total du turbomoteur. La forme idéale est un 15 rectangle dont les grands côtés sont verticaux. Bien que sur les figures la tuyère de l'invention soit représentée avec huit fuseaux 26, il va de soi que le nombre et la disposition de ces derniers dépend des caractéristiques du moteur et de l'énergie sonore qu'il produit. 20 La figure 8 représente l'application des principes de l'invention à un turboréacteur à soufflante canalisée à fort taux de dilution. Ce type de moteur comprend un turboréacteur central 40 et une soufflante de grand diamètre 42 qui est généralement montée à l'avant du turboréacteur 40. La soufflante 42 25 est montée dans un canal 43 de courte longueur comportant une entrée 44 et une sortie 46. La soufflante 42 est normalement entraînée par une turbine basse pression du turboréacteur 40. Le turboréacteur 40 comporte également une prise d'air (non représentée) et une tuyère d'éjection 48. 30 Comme le montre la figure B, la tuyère 46 du canal de soufflante 43 et la tuyère 48 du turboréacteur 40 peuvent comporter des silencieux réalisés selon les principes de l'invention. Ainsi, plusieurs fuseaux de vitesse 50 peuvent être disposés autour de la périphérie de la tuyère 46' et plusieurs 35 fuseaux de vitesse 52 peuvent être disposés autour de la périphérie de la tuyère 48. L'effet global des fuseaux est là encore de diviser la périphérie du flux éjecté en plusieurs petits jets. 71 0254/ 7 2086366 de façon à réduire les ondes sonores à large bande. La configu-» ration et les dimensions optimales des fuseaux de vitesse sont déterminées empiriauement. □n voit d'après la description qui précède que la tuyère de 5 l'invention permet de diviser le flux de gaz éjecte en plusieurs jets individuels sans recourir à des obstacles mobiles» ni à d'autres structures mécaniques.» Cette solution a l'avantage d'être plus légère et moins coûteuse que les tuyères actuellement utilisées» tout en assurant une meilleure réduction du niveau sonore. 10 II va de 3oi que l'invention n'a été décrite ci-dessus qu'à titrB illustratif mais nullement limitatif' et qu'elle pourra faire l'objet de diverses variantes sans sortir de son cadre ni de son esprit. 71 02547 B 2086366 Revendications 1. Tuyère d'éjection à silencieux pour turbine à gaz délivrant un jet de gaz propulsifs, ladite tuyère étant caractérisée en ce qu'elle comprend un canal dont, la paroi interne dirige le.s gaz 5 propulsifs vers 1'atmosphères plusieurs fuseaux de vitesse étant disposés autour de la périphérie du canal, les extrémités amont desdits fuseaux se raccordant progressivement à la paroi interne du canal pour constituer une transition sans décrochement, les fuseaux de vitesse prolongeant le canal de telle sorte que les gaz 10 propulsifs qui circulent le long de sa paroi interne s'accrocnent aux fuseaux pour que ieflux éjecté par ia tuyère se divise en plusieurs petits jets accrochés individuellement à chacun dss fuseaux de vitesse. 2. Tuyère selon la revendication 1 caractérisée en ce que les 15 fuseaux de vitesse sont des éléments coniques dont les sommets se trouvent au niveau ou an aval de l'extrémité aval du canal. 3. Tuyère selon la revendication 2 caractérisée en ce que l'un des fuseaux est plus long que les autres. 4. Tuyère selon 1a revendication 3 caractérisée en ce que 20 le fuseau le plus long est situé en haut du canal. 5. Tuyère selon la revendication 2 caractérisée en ce que la position d'au moins l'un des fuseaux est réglable « 6. Tuyère selon la revendication 2 caractérisée en ce que la section générale du canal est rectangulaire. 25 7. Tuyère selon la revendication 6 caractérisée en ce que la grande dimension du canal rectangulaire est verticale. 8. Tuyère selon la revendication 7 caractérisée en ce que les fuseaux de vitesse qui sont en haut du canal rectangulaire sont plus longs que les autres. 30 9« Tuyère selon la revendication 2 caractérisée en ce que le canal entoure la soufflante d'un turboréacteur à double flux.