Brevet FR2986833A1 — publié le 20130816

Procédé pour définir des chevrons dans un capot d'une tuyère de turbomachine et capot pour une tuyère de turbomachine correspondant La présente invention se rapporte au domaine général de la réduction du bruit de jet en sortie d'une tuyère de turbomachine. En particulier, l'invention s'applique à un capot latéral de tuyère de turbomachine - par exemple un turbomoteur d'aéronef - qui comporte à son ex- trémité aval des chevrons pour réduire le bruit de jet. Bien qu'elle soit particulièrement adaptée aux tuyères de type convergente-divergente, la présente invention n'en nullement limitée à cette application et peut être mise en oeuvre sur des tuyères convergentes simples et, de façon plus générale, sur toute tuyère comprenant des chevrons antibruit. De façon connue, le capot latéral d'une tuyère de turbomachine, généralement de forme annulaire, est formé d'une face interne et d'une face externe reliées l'une à l'autre à leur extrémité aval, par rapport au sens d'écoulement des flux, pour définir le bord de fuite de la tuyère qui délimite son orifice de sortie. On sait en outre que le jet en sortie d'une tuyère de turbomachine rencontre au moins un autre flux gazeux. Ainsi : - lorsque la turbomachine est à simple flux, ce dernier entre en contact avec l'air externe contournant la tuyère ; et - lorsque la turbomachine est à double flux, le flux primaire (ou flux chaud) et le flux secondaire (ou flux froid) entrent en contact l'un avec l'autre, mais également avec l'air externe. La différence de vitesse entre le jet en sortie de tuyère et le ou les autres flux gazeux qu'il rencontre engendre des cisaillements fluides de pénétration entre ces flux gazeux, ce qui provoque du bruit, communément désigné par « bruit de jet ». Le bruit de jet - qui est le bruit prédominant lors de la phase de décollage d'un avion - est un bruit à large bande de fréquences engendré par deux types de source acoustique. Il se décompose notamment en : - un bruit à haute fréquence provenant de petites structures turbulentes du mélange entre les flux chaud et froid et perçu essentiellement près de la tuyère ; et - un bruit à basse fréquence provenant des grosses structures tourbillonnaires apparaissant loin du jet. Aussi, pour réduire le bruit de jet, une solution connue consiste à optimiser le mélange des flux en sortie de la tuyère. A cet effet, le document de brevet EP-1873389A1 (propriété de la Demanderesse) décrit une tuyère convergente simple dont le capot latéral est pourvu d'une pluralité de chevrons (encore désignés dents) répartis sur toute la circonférence du bord de fuite de celui-ci. Grâce à la mise en place de ces chevrons, le mélange entre les flux en sortie de tuyère est amélioré et la création de tourbillons (ou vortex) près de la tuyère permet de mieux dissiper l'énergie cinétique et, par conséquent, de réduire l'intensité turbulente des gros tourbillons constituant les sources de bruit majeures. Le bruit à basse fréquence est alors sensiblement diminué. Par ailleurs, on sait également que, pour réaliser de tels chevrons, il est connu de dé- couper des échancrures de forme triangulaire et/ou trapézoïdale dans le capot annulaire de la tuyère, les chevrons apparaissant ainsi entre les échancrures formées. Cependant, notamment dans le cas d'une tuyère convergente-divergente, les faces interne et externe de son capot sont séparées l'une de l'autre d'une épaisseur variable qui croît vers l'amont depuis le bord de fuite jusqu'au col. Ainsi, la découpe des échancrures dans le capot fait apparaître des surfaces (également désignées culots massifs) sensiblement orthogo- nales à l'axe longitudinal de la turbomachine. Ces surfaces orthogonales relient la face interne du capot à la face externe de celui le long du contour des échancrures correspondantes. La largeur radiale de ces surfaces - définie le long d'une direction radiale à l'axe longitudinal dépend de l'extension longitudinale des échancrures. Elle atteint un maximum au sommet amont des échancrures et devient minimale, à leur extrémité aval. Or, la largeur radiale importante des surfaces orthogonales à l'extrémité amont des échancrures et la présence d'arêtes saillantes le long du contour desdites surfaces provoquent un décollement du flux gazeux s'écoulant sur la face externe du capot entraînant une recirculation de celui-ci, ce qui pénalise fortement les performances aérodynamiques de la tuyère. La présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient et, notamment, de prévenir tout décollement du flux gazeux s'écoulant le long de la face externe du capot d'une tuyère, tout en améliorant la pénétration de celui-ci dans le jet de sortie de la tuyère. Ainsi, selon l'invention, le procédé pour définir des chevrons dans un capot d'une tuyère de turbomachine d'axe longitudinal L-L, ledit capot étant défini par une face interne et une face externe reliées l'une à l'autre à leur extrémité aval pour former un bord de fuite d'épaisseur initiale constante et prédéfinie, procédé dans lequel on définit une pluralité d'échancrures de longueur prédéterminée à l'extrémité aval du capot pour délimiter lesdits chevrons, est remarquable par le fait que l'on conforme au moins une desdites faces interne ou externe du capot pour faire apparaître, au voisinage du contour de chaque échancrure, une surface de raccordement tridimensionnelle présentant des lignes de surface curvilignes convexes, chaque ligne de surface étant définie dans un plan axial passant par l'axe longitudinal L-L. Ainsi, grâce à l'invention, les surfaces orthogonales reliant les faces interne et externe du capot d'une tuyère sont remplacées par des surfaces de raccordement courbes tridimen- sionnelles dépourvues d'arête saillante et de point d'inflexion dans la direction axiale. De cette façon, notamment dans le cas où la face externe du capot de tuyère est conformée selon le procédé de l'invention, les surfaces de raccordement douces guident le flux gazeux, s'écoulant sur la face externe, vers l'axe longitudinal de la tuyère, tout en prévenant le décollement de celui-ci. Cela améliore la pénétration du flux dans le jet de sortie de la tuyère et, par voie de conséquence, le mélange des flux et augmente ainsi l'effet antibruit des chevrons. Le bruit de jet basse-fréquence est réduit et les performances de la tuyère en poussée en régime de décollage et de croisière sont, à défaut d'être améliorées, au moins préservées par rapport à une tuyère à chevrons connue à culots massifs. Pour prévenir davantage tout décollement du flux gazeux s'écoulant sur la face con- formée, l'épaisseur radiale du contour de chaque échancrure, définie entre la ligne de contour appartenant à la face interne du capot et la ligne de contour appartenant à la face externe de celui-ci, est de préférence maintenue constante le long dudit contour. Bien entendu, en variante, cette épaisseur pourrait varier le long du contour de chaque échancrure. Avantageusement, l'épaisseur radiale du contour de chaque échancrure peut être égale à l'épaisseur initiale du bord de fuite du capot, soit par exemple 3,5 mm. Autrement dit, on s'assure que l'épaisseur radiale est la plus petite envisageable. De préférence encore, on maximise le rayon de courbure associé à chacun des points formant les lignes de surface convexes des surfaces de raccordement, tout en s'assurant qu'elles restent dépourvues de point d'inflexion. Ainsi, la convexité des lignes de surface des surfaces de raccordement est moins prononcée, ce qui réduit le risque de décollement du flux de gaz s'écoulant sur la face conformée. En particulier, l'angle formé entre l'axe longitudinal L-L et la tangente au point d'extrémité aval de la ligne de surface, qui appartient à un plan axial passant par l'axe longi- tudinal L-L, peut être minimisé, tout en prévenant l'apparition de point d'inflexion. De plus, les tangentes de chacune des surfaces de raccordement et les tangentes correspondantes de la surface de la face conformée, attenant aux surfaces de raccordement, sont avantageusement confondues aux points définissant la jonction des surfaces de raccordement et de ladite surface attenante. Ainsi, on garantit l'absence d'arête saillante et donc de perturbations du flux de gaz. Par ailleurs, la face externe du capot étant la face conformée, la surface interne des chevrons, définie par la face interne du capot, peut avantageusement être concave. Ainsi, une partie du flux s'écoulant le long de la face interne des chevrons est dirigé vers l'axe longitudinal L-L, ce qui crée des flux croisés et permet d'améliorer le mélange des flux en sortie de la tuyère. De plus, les échancrures peuvent présenter une forme triangulaire, pointue ou arrondie, une forme trapézoïdale, ou bien encore toute autre forme appropriée. Par ailleurs, la présente invention concerne encore un capot pour une tuyère de turbo- machine qui est remarquable en ce qu'il comporte, à son extrémité aval, une pluralité de che- vrons obtenus selon le procédé décrit précédemment. De plus, la présente invention concerne encore une tuyère de turbomachine qui comprend au moins un capot du type de celui mentionné ci-dessus. Selon un mode de réalisation conforme à la présente invention, ladite tuyère de turbo- machine est convergente-divergente, dans le sens de l'écoulement des gaz. On notera que la mise en oeuvre du procédé de définition de chevrons de l'invention préserve le caractère convergent-divergent de la tuyère, notamment lorsque la face interne du capot est conformée. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 représente, en coupe axiale schématique, une tuyère convergente-divergente connue d'une turbomachine. La figure 2 est une vue schématique en perspective de l'arrière de la tuyère conver- gente-divergente de la figure 1, dans laquelle on a découpé des échancrures, de façon connue, pour former des chevrons antibruit. La figure 3 est une vue schématique agrandie en perspective de deux chevrons de la tuyère de la figure 2. La figure 4 est une vue schématique en perspective de l'arrière d'un exemple de réali- sation d'une tuyère convergente-divergente de turbomachine, dans laquelle des chevrons anti- bruit ont été définis conformément à la présente invention. La figure 5 montre, dans une vue en perspective agrandie, deux chevrons de la tuyère de la figure 4. La figure 6 est une vue en coupe, selon la ligne VI-VI de la figure 5, de l'arrière de la tuyère convergente-divergente conforme à l'invention. La figure 7 représente une ligne de surface des parois interne et externe du capot de la tuyère de la figure 5, au niveau d'un chevron. La tuyère convergente-divergente 1 d'une turbomachine connue, montrée par la figure 1, comporte un capot latéral 2 de forme annulaire, d'axe longitudinal L-L. Le capot 2 est formé par une paroi interne 3, définissant une face interne 3A, et par une paroi externe 4, définissant une face externe 4A. Les parois interne 3 et externe 4, d'épaisseur prédéfinie, sont reliées l'une à l'autre à leur extrémité aval 5, par rapport au sens d'écoulement des flux, pour définir le bord de fuite 6 de la tuyère 1, qui délimite son orifice de sortie 7. En variante, les parois interne et externe du capot pourraient ne former qu'une seule et même paroi épaisse. La face interne 3A annulaire de la tuyère 1 présente une portion convergente 3C reliée à une portion divergente 3D au niveau d'un col 8. La face externe 4 annulaire est, quant à elle, simplement convergente vers l'axe L-L. On considère dans la suite de la description que la turbomachine est à flux simple. Bien entendu, la présente invention pourrait également s'appliquer à une turbomachine à double flux à éjection mélangée ou à éjection séparée. Sur la figure 2, on a représenté la partie arrière de la tuyère convergente-divergente 1, dont le capot 2 comporte des échancrures 9 de forme triangulaire arrondie découpées, de façon connue, dans un voisinage de son extrémité aval 5. Les échancrures 9 définissent ainsi des chevrons antibruit 10 de forme également triangulaire arrondie, dans le prolongement du capot 1. Les échancrures 9, régulièrement espacées les unes des autres dans le sens circonfé- rentiel, sont définies par un somment 9A et une base 9B, séparés d'une longueur 1. De la même façon, les chevrons 10 sont régulièrement espacés les uns de autres, leur pointe 10A étant séparée de leur base 10B également d'une longueur 1. En outre, bien qu'il puisse en être autrement, dans l'exemple, les échancrures 9 sont identiques entre elles. Il en est donc de même en ce qui concerne les chevrons 10. Comme le montrent les figures 2 et 3, les faces interne 3A et externe 4A du capot 2 sont séparées l'une de l'autre d'une épaisseur variable qui croît vers l'amont depuis le bord de fuite 6 jusqu'au col 8. Ainsi, la découpe des échancrures 9 dans le capot 2 fait apparaître des surfaces 11 sen- siblement orthogonales à l'axe longitudinal L-L. Ces surfaces 11 relient la face interne 3A du capot 2 à la face externe 4A de celui le long du contour des échancrures 9 correspondantes. La largeur radiale e de ces surfaces 11 - correspondant à l'épaisseur radiale du contour de chaque échancrure 9 - est définie entre la ligne de contour 12 appartenant à la face interne 3A et la ligne de contour 13 appartenant à la face externe 4A. La largeur radiale e est ainsi fonction de la longueur 1 des échancrures 9, l'écartement des faces 3A et 4A étant d'épaisseur croissante vers l'amont. En particulier, la largeur e atteint un maximum au sommet 9A des échancrures 9 et devient minimale à proximité de leur base 9B (autrement dit à la pointe 10A des chevrons 10). Or, tel que mentionné précédemment, la largeur radiale e importante des surfaces or- thogonales 11 au sommet 9A des échancrures 9 et la présence d'arêtes saillantes aux extrémi- tés latérales des surfaces 11 - au niveau notamment de la ligne de contour 12 - provoque un décollement du flux gazeux Fl et/ou du flux gazeux F2 s'écoulant respectivement sur la face externe 4A et sur la face interne 3A entraînant une recirculation de ceux-ci. Les performances aérodynamiques de la tuyère 1 sont en conséquence dégradées. Pour pallier ces inconvénients, comme le montrent les figures 4 à 6, on conforme, se- lon l'invention, une partie de la face externe 4A du capot de manière à faire apparaître, au voisinage du contour de chaque échancrure 9, une surface de raccordement tridimensionnelle 14 présentant des lignes de surface 15 curvilignes convexes (figure 6). Par ligne de surface 15, on entend une ligne qui appartient à la surface de la face ex- terne conformée 4A et qui est définie dans un plan axial passant par l'axe L-L. Une telle conformation de la face externe 4A peut être obtenue par l'intermédiaire d'une opération d'usinage, de moulage, d'emboutissage, etc. Par ailleurs, tel qu'indiqué sur les figures 5 et 6, dans l'exemple de réalisation, l'épaisseur radiale e du contour de chaque échancrure 9 est maintenue constante le long de celui-ci. Elle est de préférence égale à l'épaisseur initiale du bord de fuite du capot 1, avant la découpe des échancrures, soit par exemple 3,5 mm. Comme le montre la figure 6, on maximise le rayon de courbure associé à chacun des points formant les lignes de surface convexes 15 d'une surface de raccordement 15, tout en prévenant l'apparition de point d'inflexion dans la direction axiale. On adoucit ainsi la con- vexité des surfaces de raccordement 14 pour limiter les perturbations sur le flux de gaz Fl et/ou le flux de gaz F2 longeant respectivement la face externe 4A et la face interne 3A. En outre, dans l'exemple de réalisation illustré, pour chaque échancrure 9, on réduit le plus possible - sans pour autant faire apparaître de point d'inflexion - l'angle a défini entre l'axe longitudinal L-L et la tangente Ti au point d'extrémité aval de la ligne de surface 15 qui appartient à un plan axial passant par l'axe longitudinal L-L. Par ailleurs, selon l'invention, les tangentes T2 de chacune des surfaces de raccorde- ment 14 et les tangentes correspondantes de la surface 16 de la face externe 4A conformée, attenant aux surfaces de raccordement 14, sont confondues aux points J formant la jonction des surfaces de raccordement 14 et de ladite surface attenante 16. Ainsi, on assure une absence d'arête saillante à la jonction de ces surfaces 14 et 16, ce qui permet d'éviter de perturber le flux de gaz s'écoulant sur la face 4A. L'optimisation de la tangente T1 et du rayon de courbure des lignes de surface 15 pour satisfaire aux critères précités peut être obtenue à l'aide de simulations numériques, par exemple effectuées par un ordinateur. Par ailleurs, comme illustré sur les figures 6 et 7, la surface interne des chevrons 10, définie par la face interne 3A du capot 2, est arrondie concave. En particulier, dans la direction longitudinale, la surface interne des chevrons 10 est divergente depuis leur base 10B jusqu'à une section de rayon maximal associé à la portion divergente 3D du capot 2, puis converge vers l'axe L-L de cette section jusqu'à la pointe 10A. L'aspect convergent-divergent de la tuyère 1 est préservé malgré la présence des chevrons 10. Ainsi, les chevrons 10 permettent une déflexion d'une partie du jet de sortie F2 de la tuyère 1 vers l'axe longitudinal L-L. En outre, la concavité des surfaces internes des chevrons 10 - dans un plan transversal orthogonal à l'axe L-L interceptant les chevrons 10 - est telle qu'au moins une section transversale interne de la tuyère, définie dans ce plan transversal par les lignes de surface de la face interne des chevrons 10, est de forme circulaire. Par ailleurs, on comprendra de ce qui précède que la présente invention s'applique également à la face interne du capot d'une tuyère convergente divergente équipée de chevrons antibruit, pour faire apparaître des surfaces de raccordement telles que décrites ci-dessus. REVENDICATIONS1. Procédé pour définir des chevrons (10) dans un capot (2) d'une tuyère de turbomachine (1) d'axe longitudinal L-L, ledit capot (2) étant défini par une face interne (3A) et une face externe (4A) reliées l'une à l'autre à leur extrémité aval pour former un bord de fuite (6) du capot d'épaisseur initiale constante et prédéfinie, procédé dans lequel on définit une pluralité d'échancrures (9) de longueur prédéterminée (1) à l'extrémité aval du capot (2) pour délimiter lesdits chevrons (10), caractérisé par le fait que l'on conforme au moins une desdites faces interne (3A) ou externe (4A) du capot (2) pour faire apparaître, au voisinage du contour de chaque échancrure (9), une surface de raccordement tridimensionnelle (14) présentant des lignes de surface curvilignes convexes (15), chaque ligne de surface (15) étant définie dans un plan axial passant par l'axe longitudinal L-L. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'épaisseur radiale (e) du contour de chaque échancrure (9), définie entre la ligne de contour (12) appartenant à la face interne (3A) du capot et la ligne de contour (13) appartenant à la face externe (4A) de celui-ci, est maintenue constante le long dudit contour. 3. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l'épaisseur radiale (e) du contour de chaque échancrure (9) est égale à l'épaisseur initiale du bord de fuite (6) du capot (2). 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel on maximise le rayon de courbure associé à chacun des points formant les lignes de surface convexes (15) des surfaces de raccordement (14), tout en s'assurant qu'elles restent dépourvues de point d'inflexion. 5. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel, pour chaque échancrure (9), l'angle (a ) formé entre l'axe longitudinal L-L et la tangente (T1) au point d'extrémité aval de la ligne de surface (15), qui appartient à un plan axial passant par l'axe longitudinal L-L, est minimisé. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les tangentes (T2) de chacune des surfaces de raccordement (14) et les tangentes correspondantes de la surface (16) de la face conformée (3A, 4A), attenant aux surfaces de raccordement (14), sont confon- dues aux points (J) définissant la jonction des surfaces de raccordement (14) et de ladite surface attenante (16). 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, la face externe (4A) du capot (2) étant la face conformée, la surface interne des chevrons (10), définie par la face interne (3A) du capot, est concave. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les échancrures (9) présentent une forme triangulaire, pointue ou arrondie, ou une forme trapézoïdale. 9. Capot pour une tuyère de turbomachine, caractérisé par le fait qu'il comporte, à son extrémité aval, une pluralité de chevrons (10) obtenus selon le procédé spécifié sous l'une des revendications 1 à 8. 10. Tuyère de turbomachine, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un capot (2) du type de celui spécifié sous l'une des revendications 1 à 9. 11. Tuyère de turbomachine, caractérisée par le fait qu'elle est convergente-divergente, dans le sens de l'écoulement des gaz.