Brevet FR3070187A1 — publié le 20190222

Ecope inter-veine DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention se rapporte au domaine de la réduction du bruit pour une turbomachine à flux mélangés. Elle concerne plus particulièrement l'arrière corps d'un turboréacteur avec mélangeur, où le flux primaire en sortie du moteur et le flux secondaire se mélangent à l'intérieur d'une tuyère dite secondaire, pour former un jet propulsé dans l'air externe. Le domaine des turbomachines concernées est ainsi relatif aux tuyères LDMF (« long duct mixed-flow »), c'est-à-dire une tuyère secondaire s'étendant au-delà du mélange des flux. L'invention concerne en particulier les solutions apportées aux problématiques d'acoustique dans le cadre de tuyère secondaire dite convergente-divergente. ETAT DE L'ART Dans le cadre des tuyères secondaire dite convergente-divergente, une source de bruit vient du fait qu'une poche de Mach est présente au niveau du col de la tuyère. En effet, l'interaction entre la turbulence issue du mélange des deux flux et les zones d'écoulement supersonique dans la tuyère est une source de bruit haute fréquence. Ce phénomène peut apparaître notamment lorsque la tuyère commence à s'amorcer. Ce phénomène s'observe plus nettement lorsqu'un mélangeur à lobes est installé à la confluence des flux primaire et secondaire. On se réfère aux demandes FR2902469 ou EP1870588 pour les mélangeurs, ainsi 30 2 qu'au document W02015/036684 qui propose une solution à l'aide de chevrons situés sur le bord de fuite de la tuyère. Toutefois, la présente invention se place dans le cadre des tuyères dites 5 convergentes-divergentes. Ces dernières permettent d'améliorer les performances des tuyères à flux mélangés, notamment en augmentant la taille du convergent-divergent (ratio appelé « CVDC » et référencé classiquement A9/A8 - voir figure 1, où sont illustrés une tuyère 110, un bord de fuite 114 et un col 112 et les sections respectifs Sf/Sc). Une 10 tuyère convergente-divergente, par définition, présente une section minimale dont le positionnement axial ne coïncide pas avec l'une des extrémités du conduit. L'utilisation d'une tuyère secondaire convergente-divergente a deux avantages : elle permet de modifier sensiblement le coefficient de débit à faible taux de détente et améliorer 15 la performance de la tuyère. Cette augmentation est bénéfique pour la performance du moteur mais elle est pénalisante acoustiquement. Comme indiqué précédemment, on observe au niveau du col l'apparition d'une poche de Mach (voir figure 2, où les deux courbes représentent le 20 bruit avec mélangeur en trait plein et sans mélangeur en trait pointillé - en abscisse la fréquence F et en ordonnée le niveau de pression sonore SPL pour Sound Pressure Level, en décibel). Les turbulences issues du mélange des deux flux et la poche de Mach provoquent l'apparition de bruits indésirables. 25 PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention vise à réduire les conséquences acoustiques précités, dans le cadre de tuyère secondaire convergente-divergente avec mélangeur. Pour cela, l'invention propose une tuyère primaire définissant une portion de veine primaire d'une turbomachine à double-flux définie 3 autour d'un axe longitudinal, à l'intérieur de laquelle on définit une veine primaire et à l'extérieur de laquelle on définit une veine secondaire, ladite tuyère primaire comprenant à son extrémité avale un mélangeur à lobes présentant une alternance de lobes chauds s'étendant radialement 5 vers l'extérieur au sein de la veine secondaire et de lobes froids s'étendant radialement à l'intérieur au sein de la veine primaire, dans laquelle tuyère primaire comprend une écope traversante permettant de transférer une fraction du flux primaire circulant dans la veine primaire vers le flux secondaire circulant dans la veine secondaire, 10 et l'écope traversante se trouve en amont du mélangeur, et est située au même azimut qu'un lobe chaud du mélangeur. L'invention peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : 15 - l'écope traversante est une écope avec intrusion comprenant une guide d'admission permettant de prélever la fraction du flux primaire, - l'écope traversante comprend une guide d'échappement, permettant de guider la fraction prélèvement vers le mélangeur, - la tuyère comprend une pluralité d'écopes traversantes, chaque écope 20 étant situé en au même azimut qu'un lobe chaud du mélangeur, - l'écope comprend une largeur qui correspond sensiblement à la largeur du lobe chaud à la base, - l'écope traversante comprend des moyens de désactivation et/ou est rétractable. 25 L'invention concerne aussi un ensemble comprenant : - une tuyère primaire telle que décrit précédemment, - une tuyère secondaire définissant une portion de veine secondaire et où peuvent se rejoindre les flux issus de la veine secondaire et la veine 30 primaire, la tuyère secondaire étant de forme convergente-divergente avec un col correspondant à une section minimale de la tuyère. 4 L'ensemble peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaisons : - la distance entre l'écope et le plan d'éjection des lobes chauds du mélangeur est supérieure à la distance longitudinale entre le col et le 5 plan d'éjection du mélangeur, - le mélangeur et/ou l'écope est configuré pour que l'éjection au niveau du lobe chaud se fasse entre 10 et 800, préférablement 10 et 60°, L'invention concerne aussi un autre ensemble comprenant 10 - une tuyère primaire telle que décrite précédemment, - une étage de turbine dans la veine primaire, l'écope traversante étant situé longitudinalement entre le mélangeur et l'étage de turbine. 15 L'invention concerne aussi une turbomachine comprenant une tuyère telle que décrite précédemment ou un ensemble tel que décrit précédemment. PRESENTATION DES FIGURES 20 D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 illustre le principe général d'une tuyère convergente- 25 divergente, - La figure 2 illustre des spectres de bruit (en décibel) d'une turbomachine avec et sans mélangeur à lobes, - Les figures 3 et 4 illustrent un mode de réalisation de l'invention, - La figure 5 illustre des lobes chauds et froids d'un mode de 30 réalisation d'un mélangeur à lobe. DESCRIPTION DETAILLEE 5 L'invention va à présent être décrite en relation avec les figures 3 à 4. L'arrière corps de turbomachine 100 concerné appartient à une turbomachine 10 à double-flux, comprenant une veine primaire Vp et 5 une veine secondaire Vs. On parlera de veine pour le volume au travers duquel circule un flux. Dans la veine primaire Vp circule donc le flux primaire et dans la veine secondaire Vs circule donc le flux secondaire. La turbomachine 10 est agencée autour d'un axe longitudinal X. On 10 définit l'abscisse comme la position le long de cet axe longitudinal X. Au sein de la veine primaire Vp, la turbomachine 10 comprend des éléments classiques connus de l'homme du métier, comme un ou plusieurs étages de compression, une chambre de combustion et enfin 15 un ou plusieurs étages de turbines, qui entrainent notamment les compresseurs et aussi un fan, qui permet d'alimenter la veine secondaire Vs et fournit l'essentiel de la poussée. A l'extrémité avale, la veine primaire Vp est définie par une tuyère primaire 11, qui permet l'éjection du flux primaire. La tuyère primaire 11 peut être formée de 20 plusieurs pièces distinctes. De la même façon, au sein de la veine secondaire Vs, la turbomachine 10 intègre des éléments classiques connus de l'homme du métier. En particulier, à l'extrémité avale, la veine secondaire est définie par une 25 tuyère 110, dite tuyère secondaire. Dans le cas des turbomachines LDMF, elle s'étend en aval au-delà de la tuyère primaire 11. Par conséquent, la tuyère secondaire 110 éjecte le flux secondaire, mélangé au flux primaire. 30 Cette tuyère secondaire 110 est convergente-divergente. Comme indiqué en introduction, cela signifie que le rayon (ou le diamètre) de la tuyère diminue puis augmente à nouveau, dans le sens d'écoulement du 6 flux. La conséquence directe est que la section d'écoulement diminue puis augmente à nouveau. On appelle « col » 112 de la tuyère secondaire la partie de la tuyère 110, à une abscisse xcoi, où cette section est minimale. 5 Le ratio de convergence-divergence est typiquement compris entre 100% et 105% (ratio de la section au bord de fuite 114 sur la section au col 112 : Sf/Sc). 10 L'arrière corps de turbomachine 100 peut comporter en outre un corps central 12 limitant l'extension radiale de la veine primaire à l'intérieur de la tuyère 110. Ce corps central 12 n'est pas concerné par l'invention. Il est situé sur l'axe longitudinal X et s'arrête généralement après un bord de fuite 120 de la tuyère. 15 La tuyère primaire 11 comprend un bord de fuite 120, à une abscisse xp en amont de l'abscisse xcol. Le corps central 12, s'il est présent, s'étend au-delà longitudinalement du bord de fuite 120, c'est-à-dire en aval de l'abscisse xp. 20 Comme illustré sur les figures 3 et 5, la tuyère primaire 11 se termine par un mélangeur à lobes 130 qui a pour fonction, comme indiquée en introduction, de mélanger les flux primaires et secondaires avant qu'ils ne soient complètement éjectés de la tuyère secondaire 110. Le 25 mélangeur à lobes 130 est une pièce profilée prolongeant à l'intérieur de la tuyère secondaire 110, jusqu'à l'abscisse déterminée xp, les parois définissant la veine primaire Vp et la veine secondaire Vs. L'épaisseur du bord de fuite 120 du mélangeur 130 est généralement faible pour éviter un effet de culot entre les deux flux. Le mélangeur à lobes 130 s'arrête 30 généralement à une distance significative de l'extrémité aval de la tuyère secondaire 110 pour permettre au mélange de flux de s'homogénéiser. On rappelle que l'invention se place dans les cadres des turbomachines LDMF (« long duct - mid flow »). 7 Comme visible sur la figure 3 ou 5, un exemple de mode de réalisation du mélangeur 130 est constitué avec des lobes symétriques, périodiques en azimut autour de l'axe longitudinal X. Sur cet exemple, la ligne de 5 bord de fuite 120 a une forme tridimensionnelle ondulée en azimut et régulière qui passe périodiquement par un point bas 132 de rayon minimum et un point haut 134 de rayon maximum. La forme du mélangeur est préférentiellement obtenue en rejoignant cette ligne de bord de fuite 120 par des surfaces régulières lisses, d'un côté à la 10 section circulaire de la paroi extérieure de la veine primaire Vp, de l'autre côté à la section circulaire de la paroi intérieure de veine secondaire Vs. Des moyens connus permettent à l'homme du métier d'obtenir ces surfaces lisses en définissant des lois régulières de variation de rayon pour joindre les sections d'entrée au bord de fuite 15 120 du mélangeur à lobes 130. Sur l'exemple présenté, les évolutions du bord de fuite 120 du mélangeur 130 sont périodiques. De cette manière, la surface moyenne entre la paroi radialement externe et la paroi radialement interne du 20 mélangeur 130 fait des ondulations périodiques en azimut autour de l'axe longitudinal X qui créent, du côté du flux primaire sous les points hauts 134 du bord de fuite 120, des lobes divergents (dits lobes chauds et référencés 134 par simplification), et créent, du côté du flux secondaire au-dessus des points bas 132 du bord de fuite 120, des lobes 25 convergents (dit lobes froids et référencés 132 par simplification). Sur l'exemple présenté, l'abscisse xp sur l'axe longitudinal X qui détermine l'extension maximale du mélangeur à lobes 6 en aval correspond aux points haut (appelés sommets) des lobes chauds. On 30 appelle xe l'abscisse sur l'axe longitudinal X des lobes chauds. Par l'abscisse xe passe un plan d'éjection, c'est-à-dire un plan à partir duquel le flux d'air est éjecté des lobes chauds. Cet exemple de réalisation de mélangeur, comporte dix-huit lobes chauds symétriques 8 autour du plan axial passant par leur milieu et répartis de manière périodique. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on peut envisager de 5 définir un mélangeur à lobes 130 en modifiant son extension axiale, le taux de pénétration des lobes (déterminé essentiellement par les rayons des points hauts 134 et bas 132 du bord de fuite 120), la forme de ce bord de fuite 120, ainsi que le nombre de lobes. Les lobes peuvent également ne pas présenter de plans axiaux de symétrie. De même, 10 bien que la répartition des lobes soit essentiellement périodique, cette périodicité peut être localement affectée en modifiant la forme de certains lobes, par exemple pour adapter le mélangeur 130 à un passage de pylône. 15 Le mélangeur à lobe 130 favorise le mélange des flux primaire Vp et secondaire Vs dans la veine à l'intérieur de la tuyère secondaire 110, notamment en provoquant des cisaillements et des tourbillons à l'interface entre les flux. 20 A présent que le cadre général a été décrit, les moyens de l'invention vont être explicités. La tuyère primaire 11 comprend une écope traversante 200, qui permet de transférer une fraction du flux primaire, chaud, vers le flux 25 secondaire, froid. Cette écope 200 se trouve en amont du mélangeur 130 et se trouve au même azimut qu'un lobe chaud 134, ce qui permet d'envoyer un flux d'air froid sur le mélangeur 130 qui va éjecter cet air chaud vers la tuyère secondaire 110 pour réchauffer plus spécifiquement la zone d'interaction entre le sillage du lobe chaud et la poche de Mach 30 située au niveau du col 112, à proximité de la paroi interne de la tuyère 110 9 On compte préférablement une pluralité d'écopes traversantes 200, réparties azimutalement avec les lobes chauds 134 du mélangeur. On compte idéalement une écope 200 par lobe chaud 134. La description suivante s'applique pour chaque écope 200. 5 La largeur d'une écope 200 est de l'ordre de grandeur du lobe chaud 134 à sa base. Des simulations numériques permettent d'optimiser cette largeur en fonction de la forme exacte du lobe chaud 134. 10 Pour prélever un flux qui doive s'insérer dans la veine secondaire Vs, l'écope traversante 200 est de type à intrusion et comprend un guide d'admission 210. Le guide d'admission 210 peut comprendre une extension de biais 212 s'insérant dans la veine primaire Vp, dans le sens opposé du flux, ainsi qu'une extension longitudinale 214 dans le 15 prolongement de l'extension de biais 212. Ces deux extensions 212, 214 définissent une forme permettant d'extraire une fraction du flux en utilisant la vitesse de déplacement davantage que la pression, comme le ferait un simple prélèvement par orifice, sans intrusion. 20 De la même façon, pour transférer le flux dans la veine secondaire Vs, l'écope traversante 200 comprend un guide d'échappement 220 dont le but est d'insérer dans le flux secondaire Vs la fraction prélevée le plus aérodynamiquement possible, c'est-à-dire sans créer de perturbations. Pour cela, le guide d'échappement 220 peut comprendre une extension 25 de biais 222 s'insérant dans la veine secondaire Vs, dans le sens du flux, ainsi qu'une extension longitudinale 224 dans le prolongement de l'extension de biais 212. En outre, ce guide d'échappement 220 permet d'assurer que le flux est dirigé vers les lobes chauds 134 du mélangeur 130, pour une meilleure éjection vers la paroi interne de la tuyère 30 secondaire 110. L'éjection du flux par les lobes chauds du mélangeur se fait entre 0 et 900, et préférablement entre 10 et 60°. 10 Afin d'avoir un système activable ou désactivable en fonction de l'utilisation de la turbomachine, des moyens d'obturation de l'écope sont prévus. Préférablement, il s'agit de moyens de désactivation de l'écope 5 200. A titre d'exemple, une écope 200 rétractable est privilégiée. Cela signifie le guide d'admission 210, et préférablement aussi le guide d'échappement 220 se rétracte dans la paroi de la tuyère primaire 11 pour former une paroi continue. En effet, il est préférable de pouvoir désactiver ce système lors des 10 phases de croisière. L'écope traversante 200, étant situé sur la tuyère 110, se situe en aval des étages de turbine, c'est-à-dire en aval de la turbine basse-pression. Pour un effet optimal, l'écope traversante 200 se situe en amont du 15 début de la formation des lobes dans le mélangeur 130. A titre d'exemple, l'écope 200 est située longitudinalement à plus d'une fois le diamètre de la tuyère 110 au col 112 par rapport au plan d'éjection du mélangeur 130. 20 Une augmentation de la température localement de 50°K permet par exemple de faire baisser le Mach entre 0,90 et 0,95, par rapport à un Mach de 1 pour une température de 320°K. L'écope 200 présenté permet de gagner jusqu'à 1 EPNdB en cumulé. 25 L'écope 200 peut être activée sur les points de certification acoustique et désactivé lors des phases de croisière, pour ne pas impacter la performance du moteur, notamment en phase de croisière. En chauffant au col et en amont du col, REVENDICATIONS1. Tuyère primaire (11) définissant une portion de veine primaire (Vp) d'une turbomachine à double-flux (10) définie autour d'un axe longitudinal (X), à l'intérieur de laquelle on définit une veine primaire (Vp) et à l'extérieur de laquelle on définit une veine secondaire (Vs), ladite tuyère primaire comprenant à son extrémité avale un mélangeur à lobes (130) présentant une alternance de lobes chauds (134) s'étendant radialement vers l'extérieur au sein de la veine secondaire (Vs) et de lobes froids (132) s'étendant radialement à l'intérieur au sein de la veine primaire (Vp), caractérisée en ce que la tuyère primaire (11) comprend une écope traversante (200) permettant de transférer une fraction du flux primaire circulant dans la veine primaire (Vp) vers le flux secondaire circulant dans la veine secondaire (Vs), et en ce que l'écope traversante (200) se trouve en amont du mélangeur (130), et est située au même azimut qu'un lobe chaud (134) du mélangeur (130). 2. Tuyère primaire (11) selon la revendication 1, dans lequel l'écope traversante est une écope (200) avec intrusion comprenant une guide d'admission (210) permettant de prélever la fraction du flux primaire (Vp). 3. Tuyère primaire (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'écope traversante (200) comprend une guide d'échappement (220), permettant de guider la fraction prélèvement vers le mélangeur (130). 4. Tuyère primaire (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité d'écopes traversantes (200), chaque écope (200) étant situé en au même azimut qu'un lobe chaud (134) du mélangeur (130). 12 5. Tuyère primaire (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'écope (200) comprend une largeur qui correspond sensiblement à la largeur du lobe chaud (134) à la base. 5 6. Tuyère primaire (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'écope traversante comprend des moyens de désactivation et/ou est rétractable. 10 7. Ensemble comprenant : - une tuyère primaire (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, - une tuyère secondaire (110) définissant une portion de veine secondaire (Vs) et où peuvent se rejoindre les flux issus de la veine 15 secondaire (Vs) et la veine primaire (Vp), la tuyère secondaire (110) étant de forme convergente-divergente avec un col (112) correspondant à une section minimale de la tuyère. 8. Ensemble selon la revendication 7, dans lequel la distance entre 20 l'écope et le plan d'éjection des lobes chauds (xe) du mélangeur (130) est supérieure à la distance longitudinale entre le col (112) et le plan d'éjection du mélangeur (130). 9. Ensemble selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le mélangeur 25 (130) et/ou l'écope est configuré pour que l'éjection au niveau du lobe chaud se fasse entre 10 et 80°, préférablement 10 et 60°. 10. Ensemble comprenant : - une tuyère primaire (11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 30 6, - une étage de turbine dans la veine primaire (VP), l'écope traversante (200) étant situé longitudinalement entre le mélangeur (130) et l'étage de turbine. 13 11. Turbomachine comprenant une tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou un ensemble selon l'une quelconque des revendications 7 à 10. 5