Brevet FR3011038A1 — publié le 20150327

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des tuyères à flux confluents équipant les turbomachines. Typiquement, une tuyère à flux confluents de turbomachine comprend un corps central annulaire centré sur un axe longitudinal de la turbomachine, un capot primaire annulaire positionné autour du corps central en lui étant coaxial pour délimiter avec celui-ci un canal primaire, et un capot secondaire annulaire positionné autour du capot primaire en lui étant coaxial pour délimiter avec celui-ci un canal secondaire. Un flux gazeux (appelé flux primaire ou flux chaud) provenant de la turbine basse-pression de la turbomachine circule dans le canal primaire de la tuyère. Un autre flux gazeux (appelé flux secondaire ou flux froid) extérieur à la turbomachine s'écoule dans le canal secondaire. Les flux primaire et secondaire se mélangent au niveau d'une zone de confluence située à la sortie du canal primaire. On pourra se référer au document EP 1,870,588 qui décrit un exemple de mélangeur pour une telle tuyère. Une tuyère à flux confluents présente certaines problématiques relatives aux questions de ventilation aux différents points de fonctionnement de la turbomachine. En particulier, la ventilation de la nacelle de la turbomachine est assurée par un flux d'air circulant dans le canal secondaire qui est aspiré par le flux primaire dans la zone de confluence par un effet de trompe. Or, un des points critiques de ce système d'aspiration par effet de trompe est son fonctionnement au ralenti. En effet, au ralenti, l'éjection du flux primaire est diminuée et n'est donc pas suffisamment énergétique pour entraîner correctement le débit de ventilation. Cette faible aspiration peut même mener à des ré-ingestions de gaz chauds dans le canal secondaire, ce qui engendre des dégâts importants sur les équipements présents dans le compartiment nacelle ainsi que sur la nacelle elle-même. Afin d'éviter ce phénomène de ré-ingestion de gaz chauds, il est possible d'améliorer le mélange entre le flux primaire et le flux secondaire. A cet effet, une solution connue est de positionner des éléments géométriques générateurs de vortex dans le canal primaire à proximité de la zone de confluence. Ces générateurs de vortex permettent d'augmenter le niveau de turbulence et favorisent ainsi le mélange entre les flux. Cependant, en fonctionnement de croisière, les générateurs de vortex créent une perte de charge importante avec des conséquences directes sur le rendement global de la turbomachine. Par ailleurs, ces problématiques de ré-ingestion de gaz chauds au ralenti et de perte de charge en croisière sont accentuées par la giration résiduelle du flux primaire en entrée de la tuyère. En effet, suivant le régime de fonctionnement de la turbomachine, le flux primaire possède en entrée de la tuyère une composante de vitesse azimutale non nulle. Ce mouvement de giration résiduel n'a généralement pas le même sens entre le fonctionnement de la turbomachine au ralenti et son fonctionnement en régime de croisière. Or, cette composante azimutale a pour double conséquence d'augmenter la probabilité de ré-ingestion de gaz chauds au régime ralenti et de désadapter les générateurs de vortex en régime de croisière (ce qui augmente les pertes de charge). Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant d'utiliser la giration résiduelle du flux primaire pour différencier de façon passive le comportement de la tuyère aux 20 différents points de fonctionnement de la turbomachine. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un capot primaire pour tuyère à flux confluents de turbomachine, comprenant une partie amont annulaire se prolongeant vers l'aval par une partie terminale annulaire ayant des découpes longitudinales formant une pluralité de 25 volets qui se chevauchent radialement deux à deux au niveau de leurs bords latéraux respectifs de telle manière que, pour chaque volet, l'un des deux bords latéraux du volet est positionné à l'intérieur par rapport au bord latéral correspondant de l'un des volets adjacents tandis que l'autre bord latéral du volet est positionné à l'extérieur par rapport au bord latéral 30 correspondant de l'autre volet adjacent. Le capot primaire selon l'invention permet de créer des zones de mélange entre les canaux primaire et secondaire de la tuyère qui correspondent à l'espace radial compris entre les bords latéraux des volets se chevauchant. En fonction du sens de giration résiduelle du flux primaire 35 de la tuyère, ces zones de mélange sont vues ou non par l'écoulement du flux primaire. Plus précisément, lorsque la giration est dans le sens permettant au flux primaire d'emprunter ces zones de mélange, le flux primaire emprunte ces zones et subit une augmentation de sa turbulence. La qualité du mélange avec le flux secondaire est ainsi augmentée et les risques de ré-ingestion de gaz chauds dans le canal secondaire sont supprimés. A l'inverse, lorsque la giration est dans le sens opposé, le flux primaire ne circule pas dans ces zones de mélange, les seules irrégularités qu'il rencontre sont alors des marches descendantes qui produisent une perte de charge réduite. De préférence, pour chaque volet, le bord latéral positionné à l'intérieur par rapport au bord latéral correspondant du volet adjacent correspond au bord latéral situé en amont par rapport au sens d'écoulement giratoire du flux gazeux de la tuyère au point de fonctionnement ralenti de la turbomachine. De la sorte, il est possible, grâce au capot primaire selon l'invention, de diminuer les risques de ré- ingestion de gaz chauds dans le canal secondaire au ralenti en améliorant le mélange entre les flux primaire et secondaire de la tuyère tout en minimisant les pertes de charges induites en fonctionnement de régime de croisière. De préférence également, le bord latéral positionné à l'extérieur de chaque volet comprend des moyens géométriques pour perturber l'écoulement du flux gazeux. La présence de tels moyens géométriques permet d'améliorer davantage au ralenti le mélange entre les flux primaire et secondaire de la tuyère sans pour autant augmenter la perte de charge en fonctionnement de régime de croisière. Le bord latéral positionné à l'extérieur de chaque volet peut ainsi comprendre un aileron positionné à l'extrémité aval du bord latéral du volet et s'étendant radialement vers l'intérieur pour perturber l'écoulement du flux gazeux. Alternativement, le bord latéral positionné à l'extérieur de chaque volet peut comprendre une ondulation de l'extrémité aval du bord latéral du volet pour perturber l'écoulement du flux gazeux. Une telle ondulation permet d'augmenter la surface de contact entre les flux primaire et secondaire de la tuyère de sorte à améliorer leur mélange. Le capot primaire peut comprendre en outre des moyens mécaniques pour relier un à un les bords latéraux des volets se 301 103 8 4 chevauchant. De tels moyens peuvent s'avérer nécessairement pour pallier les contraintes mécaniques auxquelles est soumis le capot primaire. En particulier, le capot primaire peut comprendre des plaques pleines ou des bielles reliant un à un les bords latéraux des volets se 5 chevauchant. L'intérêt du recours à des bielles est non seulement de rigidifier la structure mais également d'augmenter la turbulence du flux primaire de la tuyère empruntant la zone de mélange. Le capot primaire peut comprendre huit volets dont les deux bords latéraux sont espacés angulairement de 45°. 10 L'invention a également pour objet une tuyère à flux confluents de turbomachine comprenant un capot primaire tel que défini précédemment qui est destiné à être disposé autour d'un corps central annulaire, et un capot secondaire disposé autour du capot primaire en lui étant coaxial. L'invention a encore pour objet une turbomachine 15 comprenant une telle tuyère à flux confluents. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins 20 annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique d'une tuyère à flux confluents de turbomachine muni d'un capot primaire selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale de la tuyère de 25 la figure 1; - les figures 3A et 3B sont des vues de face de la tuyère de la tuyère de la figure 1, avec respectivement un fonctionnement au ralenti et un fonctionnement en régime de croisière ; - les figures 4 à 7 illustrent des aménagements particuliers du 30 capot primaire selon l'invention. Description détaillée de l'invention Les figures 1 et 2 représentent de façon schématique une tuyère à flux confluents 10 de turbomachine équipée d'un capot primaire 35 12 selon l'invention. 301 103 8 5 Plus précisément, la tuyère 10 comprend un corps central annulaire 14 qui est centré sur un axe longitudinal X-X de la turbomachine, le capot primaire annulaire 12 qui est positionné autour du corps central en lui étant coaxial, et un capot secondaire annulaire 16 5 (formé en partie par la nacelle de la turbomachine) qui est positionné autour du capot primaire en lui étant coaxial. Le corps central 14 et le capot primaire 12 délimitent entre eux un canal annulaire primaire 18 dans lequel s'écoule un flux gazeux (appelé flux primaire ou flux chaud) provenant de la turbine basse-pression de la 10 turbomachine. De même, le capot primaire 12 et le capot secondaire 16 délimitent entre eux un canal annulaire secondaire 20 concentrique au canal primaire 18 et dans lequel circule un autre flux gazeux (appelé flux secondaire ou flux froid) extérieur à la turbomachine. Le flux primaire et le flux secondaire se mélangent à la sortie du 15 canal primaire 18 au niveau d'une zone de confluence annulaire C représentée schématiquement sur la figure 2. Selon l'invention, le capot primaire 12 d'une telle tuyère comprend une partie amont annulaire 12a qui se prolonge vers l'aval par une partie terminale 12b. Cette partie terminale annulaire 12b présente 20 une pluralité de découpes longitudinales qui forment une pluralité de volets 22 qui se chevauchent radialement deux à deux. A cet effet, chaque volet 22 possède deux bords latéraux opposés 24E, 241 qui chevauchent au moins en partie les bords latéraux correspondants des deux volets directement adjacents au volet en 25 question. Ce chevauchement est plus précisément réalisé de telle manière que l'un des deux bords latéraux 241 du volet en question est positionné radialement à l'intérieur par rapport au bord latéral 24E correspondant de l'un des volets adjacents au volet en question, tandis que l'autre bord latéral 24E du volet en question est positionné radialement à l'extérieur 30 par rapport au bord latéral 241 correspondant de l'autre volet adjacent au volet en question. Le chevauchement des autres volets est réalisé de la même façon, en prenant soin que ce soit toujours le même bord latéral 24E des volets qui soit à l'extérieur et le même bord latéral 241 qui soit à l'intérieur. 35 On notera que dans l'exemple illustré les volets 22 sont au nombre de huit et ont leurs deux bords latéraux 24E, 241 qui sont espacés angulairernent de 45°. L'ensemble de ces volets avec leurs chevauchements forment ainsi une structure qui n'est pas axisymétrique. De la sorte, l'espace radial délimité entre les bords latéraux 24E, 241 des volets qui se chevauchent forme plusieurs zones de mélange M 5 schématisées sur les figures 3A et 3B. Ces zones de mélange M peuvent être empruntées par le flux primaire en fonction du sens de rotation de sa giration résiduelle. Le chevauchement de chaque volet 22 du capot primaire est choisi pour que le bord latéral 241 positionné à l'intérieur par rapport au 10 bord latéral 24E du volet adjacent positionné à l'extérieur corresponde au bord latéral qui est situé en amont par rapport au sens d'écoulement giratoire du flux primaire au point de fonctionnement ralenti de la turbomachine. En effet, au régime ralenti, le flux primaire issu de la turbine 15 basse-pression de la turbomachine présente une composante giratoire dite résiduelle dans un sens donné (ici le sens horaire). Généralement, ce sens de rotation est inversé lorsque l'on se trouve au régime de fonctionnement en croisière de la turbomachine. Avec une telle disposition, lorsque la turbomachine fonctionne 20 au régime ralenti, le flux primaire circulant dans le canal primaire 18 de la tuyère emprunte les zones de mélange M formées entre les bords latéraux en chevauchement des différents volets 22 du capot primaire (voir la figure 3A). Le flux primaire traverse ces zones de mélange M et subit une augmentation de sa turbulence. La qualité du mélange avec le flux 25 secondaire en sortie du capot primaire est ainsi augmentée et les risques de ré-ingestion de gaz chauds dans le canal secondaire sont supprimés. Lorsque la turbomachine fonctionne en régime de croisière, le sens de giration résiduelle du flux primaire est inversé, c'est-à-dire dans le sens anti-horaire. Le flux primaire ne circule donc plus dans les zones de 30 mélanges M. Comme représenté sur la figure 3B, les seules irrégularités géométriques qu'il perçoit sont des marches descendantes formées par le chevauchement des volets 22 du capot primaire, ces marches produisant une perte de charge réduite. Selon une disposition avantageuse représentée sur les figures 4 35 et 5, le capot primaire 18 de la tuyère comprend, au niveau du bord latéral 24E positionné à l'extérieur de chaque volet 22, des moyens géométriques pour perturber l'écoulement du flux primaire lorsqu'il emprunte les zones de mélanges M délimitées entre les bords latéraux en chevauchement des volets. Ainsi, sur l'exemple illustré par la figure 4, ces moyens se présentent sous la forme d'ailerons 26 positionnés à l'extrémité aval du bord latéral 24E de chaque volet 22, ces ailerons 26 s'étendant radialement vers l'intérieur pour perturber l'écoulement du flux primaire. De tels ailerons permettent ainsi d'augmenter au régime ralenti le mélange entre les flux primaire et secondaire sans pour autant augmenter la perte de charge en régime de fonctionnement de croisière (le flux primaire n'empruntant pas les zones de mélange à ce régime). Dans l'exemple illustré par la figure 5, l'amélioration du mélange entre les flux au régime ralenti est obtenue par la présence d'ondulations 28 formées au niveau de l'extrémité aval du bord latéral 24E de chaque volet 22. En provoquant une ondulation de cette arête du bord latéral des volets, la surface de contact entre le flux primaire empruntant au régime ralenti les zones de mélange et le flux secondaire est augmentée, ce qui améliore le mélange entre ces flux. Dans un autre exemple non illustré, l'amélioration du mélange entre les flux au régime ralenti est obtenue par l'ajout d'un revêtement à forte rugosité au niveau des zones de mélanges. Ce revêtement peut ainsi être positionné au niveau de la surface intérieure du bord latéral 24E ou de la surface extérieure du bord latéral 241 de chaque volet 22. Selon une autre disposition avantageuse représentée sur les figures 6 et 7, il est prévu des moyens mécaniques pour relier un à un les bords latéraux des volets se chevauchant et ainsi pallier aux contraintes mécaniques à laquelle peut être soumis en fonctionnement le capot primaire. Dans l'exemple illustré par la figure 6, de tels moyens sont des plaques pleines 30 reliant un à un les bords latéraux des volets se chevauchant. Avec un tel arrangement, le flux primaire au régime ralenti ne traverse plus de part en part les zones de mélanges mais subit néanmoins une augmentation de sa turbulence à leur niveau. La surface de contact entre les flux primaire et secondaire s'en trouve donc limitée (par rapport à une configuration sans plaques pleines) mais la présence d'angles de 301 103 8 8 raccord saillants et aigus entre les volets permet de conserver des surfaces protégées qui ne sont parcourues par le flux primaire qu'au régime ralenti. Dans l'exemple illustré par la figure 7, il est prévu des bielles 32 5 qui relient un à un les bords latéraux des volets se chevauchant. Plus précisément, ces bielles 32 relient la surface intérieure du bord latéral 24E de chaque volet à la surface extérieure du bord latéral 241 du volet qui est située en vis-à-vis. De telles bielles 32 permettent non seulement de rigidifier la 10 structure mais également d'augmenter la turbulence du flux primaire de la tuyère empruntant les zones de mélange M délimitées entre le chevauchement des volets. De manière générale, on notera que les propriétés du capot primaire selon l'invention sont principalement influencées par le diamètre 15 extérieur défini par les bords latéraux extérieurs 24E des volets, le diamètre intérieur défini par les bords latéraux intérieurs 241 des volets, et la distance radiale entre les deux bords latéraux d'un même volet. REVENDICATIONS1. Capot primaire (12) pour tuyère à flux confluents (10) de turbomachine, comprenant une partie amont annulaire (12a) se prolongeant vers l'aval par une partie terminale annulaire (12b) ayant des découpes longitudinales formant une pluralité de volets (24) qui se chevauchent radialernent deux à deux au niveau de leurs bords latéraux (24E, 241) respectifs de telle manière que, pour chaque volet, l'un des deux bords latéraux du volet est positionné à l'intérieur par rapport au bord latéral correspondant de l'un des volets adjacents tandis que l'autre bord latéral du volet est positionné à l'extérieur par rapport au bord latéral correspondant de l'autre volet adjacent. 2. Capot selon la revendication 1, dans lequel, pour chaque volet (24), le bord latéral (241) positionné à l'intérieur par rapport au bord latéral (24E) correspondant du volet adjacent correspond au bord latéral situé en amont par rapport au sens d'écoulement giratoire du flux gazeux de la tuyère au point de fonctionnement ralenti de la turbomachine. 3. Capot selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le bord latéral (24E) positionné à l'extérieur de chaque volet comprend des moyens géométriques pour perturber l'écoulement du flux gazeux. 4. Capot selon la revendication 3, dans lequel le bord latéral (24E) positionné à l'extérieur de chaque volet (24) comprend un aileron (26) positionné à l'extrémité aval du bord latéral du volet et s'étendant radialement vers l'intérieur pour perturber l'écoulement du flux gazeux. 5. Capot selon la revendication 3, dans lequel le bord latéral 30 (24E) positionné à l'extérieur de chaque volet (24) comprend une ondulation (28) de l'extrémité aval du bord latéral du volet pour perturber l'écoulement du flux gazeux. 6. Capot selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 35 comprenant en outre des moyens mécaniques pour relier un à un les bords latéraux des volets se chevauchant. 301 103 8 10 7. Capot selon la revendication 6, comprenant des plaques pleines (30) reliant un à un les bords latéraux des volets se chevauchant. 5 8. Capot selon la revendication 6, comprenant des bielles (32) reliant un à un les bords latéraux des volets se chevauchant. 9. Capot selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant huit volets (24) dont les deux bords latéraux (24E, 241) sont 10 espacés angulairement de 45°. 10. Tuyère à flux confluents (10) de turbomachine comprenant un capot primaire (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 destiné à être disposé autour d'un corps central annulaire (14), et un 15 capot secondaire (16) disposé autour du capot primaire en lui étant coaxial. 11. Turbomachine comprenant une tuyère à flux confluents (10) selon la revendication 10. 20