Brevet FR3061749A1 — publié le 20180713

MÉLANGEUR DE FLUX À ÉPAISSEUR ÉVOLUTIVE DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR L'invention concerne un mélangeur de flux pour les turboréacteurs à flux multiples. Dans les turboréacteurs à flux multiples, notamment à double flux, le mélange des flux primaire et secondaire est réalisé dans la partie aval du turboréacteur. On rappelle que le flux primaire est le flux d'air chaud passant par la chambre de combustion. Le flux secondaire est quant à lui un flux d'air froid propulsé par la soufflante. Il s'écoule concentriquement autour du flux d'air chaud, entre le carter contenant les étages de compression, la chambre de combustion et les turbines et un capotage du turboréacteur. Le mélange des deux flux présente des avantages multiples : réduction du bruit d'éjection des gaz, augmentation de la poussée et du 15 rendement global du turboréacteur. Un exemple de mélangeur est décrit dans le brevet FR2.875.854. Classiquement, un tel mélangeur présente sur son pourtour une série d'ondulations. Ces ondulations forment ensemble une pluralité de lobes externes et internes répartis de façon circonférentielle autour de l'axe 20 longitudinal du mélangeur. Selon le type de turboréacteur sur lequel les mélangeurs sont montés, il est habituel de jouer sur différents paramètres de la géométrie de ceux-ci (longueur et diamètre du mélangeur, rayon de courbure des lobes, etc.) afin d'en optimiser les performances aérodynamiques et le 25 mélange des flux. Ces modifications ont des conséquences sur le comportement dynamique des mélangeurs. Par exemple, l'allongement de la longueur du mélangeur et l'accroissement du rayon de courbure de ses lobes peut conduire à une 30 baisse de rigidité de la pièce, abaissant les fréquences de ses modes propres de vibration. 3061749 2 Lorsque ces modes de vibration coïncident avec certains régimes de fonctionnement stabilisés du turboréacteur, les déformations engendrées par la réponse vibratoire du mélangeur peuvent se révéler dangereuses pour sa structure et sa tenue mécanique. 5 C'est ce qu'illustrent les figures la, lb et 2a, 2b. En référence à la figure la, l'étude du diagramme de Campbell, présentant l'évolution des fréquences de vibrations engendrées dans le mélangeur 1 en fonction du régime de fonctionnement du turboréacteur, a mis en évidence la coïncidence de deux modes propres à diamètre pur 10 avec les fréquences de vibrations engendrées par certains régimes de fonctionnement du turbopropulseur. Les deux droites décroissantes correspondent aux fréquences propres de deux modes de vibration à diamètre pur de type 01). Ce type de mode vibratoire cause une déformation radiale et 15 tangentielle de la pièce, localisée sur certaines zones du mélangeur. La répartition des déformations symbolisée en figure lb montre que la grande majorité des déformations sont localisées sur la colonne 0, cette répartition caractérisant un mode pur de type 01). Ce type de déformation provoque successivement des expansions et 20 des contractions de forme circulaire de la pièce. La fréquence des vibrations du mélangeur engendrées par le fonctionnement du turboréacteur, coïncide avec les deux modes propres à diamètre pur, notamment avec le mode 12 à une fréquence correspondant 25 à un des modes de fonctionnement stabilisé du turboréacteur, symbolisés par les droites verticales. En référence à la figure 2a, l'étude du diagramme de Campbell du mélangeur 1 met en évidence la coïncidence de la fréquence des vibrations engendrées dans le mélangeur 1 par le fonctionnement du 30 turboréacteur avec deux modes à diamètre pur de type 11). Ce type de réponse vibratoire cause une déformation radiale et tangentielle de la pièce, dont la répartition est représentée sur la figure 2b, provoquant successivement des expansions et des contractions de 3061749 3 forme elliptique. La totalité des déformations sont localisées sur la colonne 1, cette répartition caractérisant un mode pur de type 11). Un de ces modes à diamètre pur est atteint pour une fréquence correspondant à un régime de fonctionnement stabilisé de l'aéronef. 5 PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION Un but général de l'invention est de minimiser la réponse vibratoire du mélangeur. Un autre but est de limiter le gain de masse du mélangeur inhérent 10 aux modifications de sa structure. Selon un aspect, l'invention propose un mélangeur de flux gazeux concentriques dans une turbomachine à flux multiples, comportant une partie amont nominalement cylindrique et une partie aval présentant des lobes extérieurs et intérieurs répartis de façon circonférentielle sur le tour dudit mélangeur, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un lobe modifié présentant en au moins une zone un ajout ou un retrait de matière configuré pour modifier la réponse vibratoire dudit mélangeur. Un tel mélangeur est avantageusement complété par les différentes 20 caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : - les lobes modifiés sont disposés selon un motif angulaire apériodique, configuré pour minimiser la réponse vibratoire ; - les lobes modifiés présentent une épaisseur de paroi qui varie 25 entre 110% et 300% de l'épaisseur de paroi des lobes réguliers ; - les lobes modifiés présentent une épaisseur de 1,5mm ; - les lobes modifiés présentent une épaisseur de paroi qui varie entre 50% et 90% de l'épaisseur de paroi des lobes réguliers ; bien entendu, si le mélangeur comporte également au moins un 30 lobe modifié présentant une épaisseur de paroi qui varie entre 110% et 300% de l'épaisseur de paroi des lobes réguliers, ce 3061749 4 lobe est différent de celui ou ceux présentant une épaisseur de paroi entre 50% et 90% de l'épaisseur de paroi des lobes réguliers ; - il comporte deux lobes modifiés ; 5 - un ajout ou un retrait de matière s'étend sur l'ensemble d'une zone comportant un demi lobe intérieur, un lobe extérieur et un demi lobe intérieur ; - les lobes modifiés présentent une configuration d'épaisseurs de paroi conçue pour générer des modes de vibration complexes ; 10 Selon un autre aspect, l'invention concerne une turbomachine comportant un tel mélangeur. PRÉSENTATION DES FIGURES 15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : - la figure la est une représentation graphique d'un diagramme de Campbell mettant en lumière la coïncidence d'un mode propre à diamètre pur de type 01) du mélangeur avec les vibrations causées par le turboréacteur lors de régimes de fonctionnement stabilisé, la figure lb étant une représentation en histogramme de la répartition des déformations rencontrées dans un des modes propres mis en évidence dans le diagramme de Campbell en figure la ; - la figure 2a est une représentation graphique d'un diagramme de Campbell mettant en lumière la coïncidence d'un mode propre à diamètre pur de type 11) du mélangeur avec les vibrations causées par le turboréacteur lors de régimes de fonctionnement stabilisé, la figure 2b étant une représentation en histogramme de la répartition des déformations rencontrées dans un des modes propres mis en évidence dans le diagramme de Campbell en figure 2a ; 3061749 5 - la figure 3 représente une vue en coupe schématisée d'un turboréacteur vu de profil et les éléments le constituant ; - les figures 4a, 4b et 4c sont des modélisations 3D du mélangeur de flux sous différents angles de vue ; 5 - les figures 5a et 5b représentent la localisation et le type des déformations sur une modélisation du mélangeur pour un mode à diamètre pur dit 01) ; - les figures 6a et 6b représentent l'amplitude et la localisation des déformations d'un mode de vibration complexe sur un mélangeur ; 10 - les figures 7a et 7b représentent une modélisation en 3D du mélangeur mettant en lumière les modifications reçues dans le but de modifier sa réponse vibratoire. DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN OEUVRE ET 15 DE RÉALISATION Généralités En référence à la figure 3, un turboréacteur T à double flux, dont le fonctionnement général considéré comme connu ne sera pas explicité, présente classiquement d'amont vers l'aval une soufflante propulsant un 20 flux d'air qui sera divisé en flux primaire Fp et un flux secondaire Fs. Le flux primaire s'écoule dans un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression Thp et rejoint le flux secondaire Fs en aval d'un mélangeur 1. 25 Le flux secondaire Fs s'écoule lui de façon concentrique au flux primaire Fp autour du carter intérieur Ci et à l'intérieur du carter extérieur Ce. La fonction du mélangeur 1 est d'optimiser le mélange des flux primaire Fp et secondaire Fs en sortie du turboréacteur T. 30 Le mélange des flux primaires Fp et secondaires Fs en aval du turboréacteur T apportant de nombreux avantages tant au niveau des 3061749 6 performances que des perturbations environnementales, de nouvelles solutions sont explorées continuellement pour optimiser l'homogénéité du mélange. 5 Mélangeur de flux En référence aux figures 4a, 4b et 4c, un mélangeur à lobes 1 de type marguerite présente une partie amont 2 nominalement cylindrique et une partie aval 3 ondulée. Les indications relatives aux directions radiales, axiales et 10 tangentielles correspondent à l'axe du mélangeur, qui est également celui du turboréacteur. Les notions d'amont et d'aval suivent le sens d'écoulement des gaz dans le turboréacteur. Les ondulations de la partie avale forment ensemble une pluralité de lobes radialement externes 4 et internes 5 répartis de façon 15 circonférentielle autour de l'axe longitudinal du mélangeur 1. Le mélangeur a la particularité de ce qu'au moins un de ses lobes présente en au moins une zone un ajout ou un retrait de matière configuré pour modifier la réponse vibratoire dudit mélangeur. Cet ajout ou retrait est choisi pour déplacer les fréquences de ses 20 modes propres afin d'éviter une coïncidence avec les fréquences de vibrations générées par un régime de fonctionnement stabilisé du turboréacteur. Notamment, pour diminuer la réponse vibratoire, comme illustré ultérieurement, les modifications apportées au mélangeur 1 visent à 25 favoriser l'apparition de modes complexes, composés d'une somme de modes purs. Formes de réalisation du mélangeur En référence à la figure 5a, une solution retenue comporte deux lobes présentant une épaisseur modifiée 14. En effet, dans un souci de 30 minimisation de l'augmentation de la masse, le meilleur compromis entre augmentation de masse et modification de la réponse vibratoire est recherché. 3061749 7 Un lobe modifié 14 est donc un lobe extérieur44 qui présente une portion de surface plus épaisse, cette portion s'étendant entre les sommets des deux lobes internes 5 qui le bordent comme observable sur la figure 5b. 5 Les deux lobes 14 susmentionnés présentent une épaisseur de paroi différente des autres lobes 13. Dans une solution retenue, le mélangeur 1 comporte 16 lobes 13 réguliers d'une épaisseur de paroi de 1mm et 2 lobes particuliers 14 présentant une épaisseur de paroi de 1,5mm. Le taux d'épaississement de la paroi retenu tient également compte 10 de contraintes de fabrication, afin d'assurer que sur un produit fini un lobe épais 14 présentant une épaisseur minimale dans sa zone de tolérance soit sensiblement différent d'un lobe régulier 13 présentant une épaisseur maximale dans sa zone de tolérance afin d'assurer un gain en performances sensiblement constant pour tous les mélangeurs 1. 15 L'épaisseur d'un lobe modifié 14 peut représenter 110% à 300% de l'épaisseur d'un lobe régulier. Un lobe modifié 14 peut par exemple présenter une épaisseur représentant 150% de l'épaisseur d'un lobe régulier 13. Une différence marquée permet une différenciation visuelle évidente 20 lors de la fabrication, le mélangeur 1 étant fabriqué par assemblage de demi-lobes juxtaposés et soudés entre eux. Lors de l'assemblage, deux types de pièces différents permettent de réaliser le mélangeur 1 : - Un premier type étant un lobe régulier 13 comportant un lobe 25 extérieur encadré de deux demi-lobes intérieurs, ce type de pièce composant en grande majorité le mélangeur ; - Un second type étant un lobe modifié 14 présentant la même géométrie générale qu'un lobe régulier à l'exception de l'épaisseur de sa paroi, et dans le cas de la solution représentée 30 en figure 5a deux lobes complets modifiés sont compris dans le mélangeur 1. Les pièces sont juxtaposées et soudées pour former les lobes du mélangeur. 3061749 8 Le profil de contact entre un lobe modifié 14 et un lobe classique 13 n'est pas lissé, et comporte donc une « marche » au niveau du contact, liée à la différence d'épaisseur entre un lobe modifié et un lobe régulier. Un autre procédé de fabrication d'un mélangeur est décrit dans le 5 document FR2912469. Dans d'autres formes de réalisation de l'invention, il est également envisagé de diminuer l'épaisseur d'un lobe pour générer les mêmes effets, un lobe modifié 14 présentant dans ce mode de réalisation une épaisseur pouvant représenter 25% à 90% de l'épaisseur d'un lobe régulier. 10 Un lobe modifié 14 peut par exemple présenter une épaisseur représentant 50% de l'épaisseur d'un lobe régulier 13. Une modification ponctuelle de l'épaisseur d'un ou plusieurs lobes est également une possibilité, comme un ajout de matière ou une surépaisseur locale, de même qu'un enlèvement de matière comme un 15 perçage ou une rainure réalisée sur un ou plusieurs lobes. La position relative des lobes modifiés 14 influe aussi sur la réponse vibratoire du mélangeur 1. En effet, la périodicité angulaire (périodicité en suivant une rotation autour de l'axe du mélangeur) du motif formé par la position des lobes modifiés 14 favorise l'apparition de modes propres. Une 20 des solutions envisagées est donc, dans le cas d'un épaississement de plusieurs lobes, de les disposer de manière à éviter de créer un motif formant une répétition angulaire. En référence à la figure 5b, la zone épaissie d'un lobe modifié 14 concerne donc un lobe extérieur 4. 25 La configuration adoptée permet donc de favoriser l'apparition de modes vibratoires complexes, moins dommageables pour le mélangeur 1, en plus de réduire drastiquement le nombre de modes à diamètres considérés purs. 30 Mode vibratoire recherché En référence à la figure 6b, on peut observer la cartographie des déformations sur un mode de déformation pur, ici un mode 01). La 3061749 9 déformée est globalement uniforme pour un rayon donné, la déformation la plus importante étant atteinte au diamètre le plus faible de la pièce, au niveau de la crête des lobes internes 5. En référence à la figure 7b, on peut constater que le mode critique 5 représenté est constitué d'une somme de modes à déformation radiale aux diamètres 03, 012, 04, 05, 017, 018, 019, 1)20 et 021, de modes à déformation tangentielle aux diamètres 00, 1)3 et 06, et de modes à déformation axiale aux diamètres 1)18 et 021. La répartition des déformations est moins uniforme, en plus de présenter une amplitude 10 moins importante. REVENDICATIONS1. Mélangeur de flux gazeux (1) concentriques dans une turbomachine à flux multiples, comportant une partie amont (11) nominalement cylindrique et une partie aval (12) présentant des lobes extérieurs (4) et intérieurs (5) répartis de façon circonférentielle sur le tour dudit mélangeur (1), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un lobe modifié (14) présentant en au moins une zone un ajout ou un retrait de matière configuré pour modifier la réponse vibratoire dudit mélangeur (1). 2. Mélangeur (1) tel que défini dans la revendication précédente, caractérisé en ce que les lobes modifiés (14) sont disposés selon un motif angulaire apériodique, configuré pour minimiser la réponse vibratoire. 3. Mélangeur (1) tel que défini dans l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un des lobes modifiés (14) présente une épaisseur de paroi qui varie entre 110% et 300% de l'épaisseur de paroi des lobes (13) réguliers. 4. Mélangeur (1) tel que défini dans l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un des lobes modifiés (14) présente une épaisseur de 1,5mm. 5. Mélangeur (1) tel que défini dans l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un des lobes modifiés (14) présente une épaisseur de paroi qui varie entre 50% et 90% de l'épaisseur de paroi des lobes (13) réguliers. 3061749 11 6. Mélangeur tel que défini dans l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte deux lobes modifiés (14). 7. Mélangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 5 en ce qu'un ajout ou un retrait de matière s'étend sur l'ensemble d'une zone comportant un demi lobe intérieur (5), un lobe extérieur (4) et un demi lobe intérieur (5). 8. Turbomachine comportant un mélangeur (1) tel que défini dans les 10 revendications précédentes.