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WO 2006/016017 PCT/FR2005/001221
DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT DE LA TUYERE PRIMAIRE
D'UN TURBOREACTEUR DOUBLE FLUX
La présente invention se rapporte, d'une part, à un turboréacteur à
double flux utilisé dans le domaine de l'aéronautique, et d'autre part, à une
tuyère primaire équipant un tel turboréacteur.
Il est déjà connu, d'après le document FR 2 834 533, de réaliser un
turboréacteur à double flux comportant un moteur logeant complètement dans
une nacelle tubulaire dont la paroi interne définit avec le carter du moteur
un
passage annulaire dans lequel s'écoule un flux secondaire délivré par une
soufflante. Cette nacelle présente une entrée d'air en amont du moteur, des
moyens d'inversion de poussée dans sa section médiane, et une tuyère
commune d'éjection du flux primaire et du flux secondaire dont la sortie est
située en aval du moteur. Des moyens pour refroidir la tuyère commune sont
prévus, notamment lorsque les moyens d'inversion de poussée sont dans la
position durant laquelle le flux secondaire est dévié vers l'extérieur et vers
l'avant de la nacelle, ce flux ne balayant plus la paroi externe de ladite
tuyère
commune. Un tel aménagement permet en finalité de choisir un matériau
moins dense pour réaliser la tuyère commune.
Cependant, si une solution a été proposée afin de réduire la masse
globale de la tuyère commune employée dans un turboréacteur de ce type, il
n'en demeure pas moins que, afin de se conformer aux normes internationales
établies par les avionneurs, l'homme du métier est toujours à la recherche
d'un
turboréacteur équipé d'une tuyère primaire, positionnée en aval du moteur,
dont l'atténuation acoustique est renforcée et la masse globale limitée autant
que possible. En effet, les tuyères primaires habituellement employées sont
constituées à l'aide d'une paroi externe et d'une paroi interne réalisées
respectivement en titane et en inconel, un alliage de Ni-Cr-Fe austénitique,
du
fait de la bonne tenue en température et des bonnes caractéristiques
mécaniques intrinsèques de ces matériaux. Cependant, la masse globale d'une
telle tuyère primaire étant élevée, il en découle que l'incorporation de
moyens
d'atténuation acoustique supplémentaires est difficilement envisageable.
La présente invention a pour but de résoudre le problème évoqué
précédemment, et pour cela consiste en un turboréacteur à double flux
comprenant un moteur logé dans une nacelle, ledit moteur comportant un
carter définissant avec la nacelle un passage annulaire dans lequel peut
s'écouler un flux secondaire délivré par une soufflante située en amont du
moteur, une tuyère primaire étant fixée sur le carter en aval du moteur et
comportant, d'une part, une paroi interne apte à canaliser un flux principal
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chaud délivré par le moteur, et d'autre part, une paroi externe au contact du
flux secondaire, caractérisé en ce que des moyens d'atténuation acoustique
équipent au moins une partie de la paroi interne, et en ce que la paroi
externe
comporte des moyens pour refroidir la paroi interne.
Ainsi, dans un turboréacteur selon l'invention, la présence de
moyens pour refroidir la paroi interne autorise l'emploi de matériaux de
densité
plus faible mais moins résistant à la chaleur pour réaliser la tuyère
primaire.
Ceci permet en finalité de compenser la masse supplémentaire découlant de
l'intégration des moyens d'atténuation acoustique dans la paroi interne.
Selon un mode de réalisation préférée, les moyens pour refroidir la
paroi interne comprennent au moins un moyen de prélèvement d'air de
refroidissement. De préférence, chaque moyen de prélèvement d'air de
refroidissement est réalisé à l'aide d'une écope aménagée dans la paroi
externe et conçue pour prélever un débit d'air provenant du flux secondaire.
De façon avantageuse, la paroi interne comprend une tôle pourvue
d'un moyen de distribution d'air de refroidissement le long de la paroi
interne.
L'air capté par chaque moyen de prélèvement d'air de refroidissement est alors
amené au niveau du moyen de distribution, avantageusement réalisé sous la
forme d'un motif de perçage dans la tôle, pour ensuite venir lécher la surface
de la paroi interne, ce qui en définitive permet de protéger cette dernière du
flux principal chaud délivré par le moteur.
Préférentiellement, les moyens d'atténuation acoustique équipant
la paroi interne sont réalisés sous la forme d'un panneau sandwich disposé en
aval du moyen de distribution d'air de refroidissement.
Selon une variante de réalisation de l'invention, les moyens pour
refroidir la paroi interne peuvent comprendre au moins un moyen de
canalisation disposé entre un moyen de prélèvement d'air de refroidissement et
un moyen de distribution d'air de refroidissement.
La présente invention se rapporte également à une tuyère primaire
destinée à être positionnée en aval d'un moteur équipant un aéronef,
caractérisée en ce qu'elle comprend une paroi externe dotée de moyens pour
refroidir une paroi interne dotée de moyens d'atténuation acoustique.
Selon l'invention, les moyens pour refroidir la paroi interne
comprennent avantageusement au moins un moyen de prélèvement d'air de
refroidissement. De plus, ce dernier est de préférence réalisé à l'aide d'une
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écope aménagée dans la paroi externe et conçue pour prélever un débit d'air
provenant du flux secondaire.
Préférentiellement, la paroi interne comprend une tôle pourvue d'un
moyen de distribution d'air de refroidissement situé en amont des moyens
d'atténuation acoustique.
Par ailleurs, les moyens d'atténuation acoustique équipant la paroi
interne sont avantageusement réalisés sous la forme d'un panneau sandwich
disposé en aval du moyen de distribution d'air de refroidissement.
Selon une variante de réalisation de l'invention, les moyens pour
refroidir la paroi interne comprennent au moins un moyen de canalisation
disposé entre un moyen de prélèvement d'air de refroidissement et un moyen
de distribution d'air de refroidissement.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée
qui est exposée ci-après en regard du dessin annexé dans lequel :
La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un groupe
turboréacteur équipé d'une tuyère primaire.
La figure 2 est une vue schématique partielle en coupe d'une
tuyère primaire selon un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 3 est une vue partielle agrandie de la tuyère de la figure 2.
La figure 4 est une vue en perspective frontale d'une tuyère
primaire selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 5 est une vue de côté de la tuyère de la figure 4.
La figure 6 est une vue en coupe transversale de la tuyère de la
figure 4.
La figure 7 est une vue en perspective d'une écope équipant la
tuyère de la figure 4.
La figure 8 est une vue de dessus de l'écope de la figure 7.
La figure 9 est une vue en coupe de l'écope de la figure 7.
Un turboréacteur 1, tel que représenté à la figure 1, comprend de
manière générale une nacelle 2 entourant un moteur 3 double flux comprenant
une chambre de combustion 3b.
Par l'intermédiaire de pâles d'une soufflante 3a en rotation, ce
moteur 3 génère à la sortie de la nacelle 2 deux flux d'air, à savoir un flux
d'air
chaud 4 issu de la chambre de combustion 3b, et un flux d'air froid 5, dit
flux
secondaire, qui circule à l'extérieur du moteur entre une paroi interne 7 de
la
nacelle 2 et une paroi externe d'un capot 8 entourant le moteur 3. Le flux
d'air
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chaud 4 possède donc une température élevée, située aux alentours de 750 C,
tandis que le flux froid 5 possède une température nettement inférieure,
située
aux alentours de 100 C.
Ces deux flux 4, 5 sont éjectés du turboréacteur 1 par l'arrière de la
nacelle 2. Plus précisément, le flux d'air chaud 4 est éjecté à travers une
tuyère
d'éjection, appelée tuyère primaire 6, fixée en sortie de la chambre de
combustion 3b.
Comme représenté aux figures 2, 3, la tuyère primaire 6 comprend
une paroi interne 9, balayée par le flux d'air chaud 4, et une paroi externe
10, le
long de laquelle s'écoule le flux d'air froid 5. La paroi interne 9 et la
paroi
externe 10 se rejoignent à l'arrière de la tuyère primaire 6 et sont reliées à
l'avant par un raidisseur 1.1. Les parois 9, 10, 11 délimitent ainsi un espace
intérieur 12.
La fixation de la tuyère primaire 6 à l'arrière du moteur 3 est
réalisée au moyen d'une bride de fixation 13 prolongeant la paroi interne 9 et
vissée à une bride de fixation 14 du moteur 3. Par ailleurs, la paroi externe
10
se prolonge légèrement ver l'amont au-delà du raidisseur 11 et est terminé par
une cornière 15 non liée au raidisseur 11 et formée de lamelles flexibles
destinées à assurer la jonction avec l'extrémité aval du capot 8.
La paroi externe 10 est réalisée sous la forme d'une tôle en
beta21 s dans laquelle sont pratiquées des ouvertures 16 destinées à recevoir
chacune une écope fixée par des écrous 17. Les ouvertures 16 sont réalisées
de manière à être situées à environ 45 de part et d'autre du point d'ancrage
de la nacelle 2 et du moteur 3.
Le beta2ls est un alliage de titane commercialement disponible
sous le nom de TIMETAL21S auprès de la société TIMET. Ce matériau est
particulièrement adapté à la construction aéronautique en raison de ses
bonnes propriétés mécaniques et de sa faible densité, environ égale à la
moitié
de la densité de l'inconel. L'utilisation de ce matériau permet donc un gain
en
masse très significatif. Cependant, les brides de fixation 13, 14 et le
raidisseur
11 étant directement exposés au flux d'air chaud 4 en sortie de la chambre de
combustion 3b, ils sont toujours réalisés en inconel. Par ailleurs, il doit
être bien
compris que l'inconel et le beta2ls sont des matériaux donnés uniquement à
titre d'exemple car couramment utilisés dans ce domaine, le dispositif selon
l'invention n'étant absolument pas limité à l'utilisation de ces matériaux.
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Selon un premier mode de réalisation, tel que représenté aux
figures 2, 3, les écopes sont des écopes statiques 20, ainsi appelées car
elles
ne dépassent pas des lignes aérodynamiques d'écoulement du flux d'air froid 5
le long de la paroi externe 10 de la tuyère primaire 6. Une telle écope
statique
5 20 comprend, d'une part, un cadre 21 définissant une ouverture 22 et
présentant deux pattes latérales 23 destinées à être traversées par les écrous
17 pour fixer l'écope statique 20 à la paroi supérieure 10, et d'autre part,
une
paroi inclinée 24 par rapport au plan du cadre 21 et destinée à orienter le
flux
d'air froid 5 pénétrant dans l'écope statique 20. Cette paroi inclinée 24 est
reliée à l'avant du cadre 21, dans le sens de"l'écoulement du flux. d'air
froid 5,
et est bordée par des parois latérales 25. La longueur et l'inclinaison de
cette
paroi inclinée 24 sont bien entendues adaptées pour capter et orienter une
quantité adéquate du flux d'air froid 5.
Selon un deuxième mode de réalisation, tel que représenté aux
figures 4 à 9, les écopes sont des écopes dynamiques 30. Une écope
dynamique 30 se différencie d'une écope statique 20 uniquement par le fait
qu'elle présente un sommet 31 couvrant une partie aval du cadre 21 et
dépassant des lignes aérodynamiques. Ce sommet 31 présente une arête 32
profilée de manière à faire obstacle au flux d'air froid 5 et l'orienter vers
l'ouverture 22.
Le choix entre une écope statique 20 et une écope dynamique 30
s'effectuera en fonction de la quantité du flux d'air froid 5 qu'elles
permettent de
capter et du besoin de pressurisation de l'espace intérieur 12 de la tuyère
primaire 6. -
La paroi interne 9 est également réalisée à partir d'une tôle 40 en
béta2ls, plus léger que l'inconel mais moins résistant aux températures
élevées. Or, comme expliqué précédemment, la paroi interne 9 est destinée à
être au contact du flux d'air chaud 4. II n'est donc pas souhaitable de
l'exposer
directement au contact du flux chaud sans prévoir de système de
refroidissement.
Afin d'améliorer la résistance thermique de la paroi interne 9, la tôle
présente, d'une part, une zone d'aération 41 dans laquelle sont pratiquées
des ouvertures 42 selon un motif de perçage approprié. Ces ouvertures
forment un moyen de distribution d'air de refroidissement. De plus, la tôle 40
35 présente également une zone d'atténuation acoustique 43, située en aval de
la
zone d'aération 41 par rapport au sens du flux d'air chaud 4, comprenant un
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panneau sandwich 44 acoustique orienté vers le flux d'air chaud 4. Le gain en
masse réalisé en employant du béta2ls permet la mise en place de ce
panneau sandwich 44 qui, s'il avait été réalisé en inconel, aurait trop
alourdi la
structure.
En fonctionnement, le flux d'air chaud 4 s'écoule, en sortie de la
chambre de combustion 3b, à l'intérieur de la tuyère primaire 6 le long de la
paroi inférieure 9 tandis que le flux d'air froid 5, après son passage passage
entre la paroi interne 7 de la nacelle 2 et la paroi externe du capot 8,
s'écoule à
l'extérieur de la tuyère primaire 6 long de la paroi supérieure 10.
En s'écoulant le long de la paroi supérieure 10, le flux d'air froid 5
rencontre les écopes statiques 20 ou dynamiques 30, selon le mode de
réalisation, et pénètre dans l'espace intérieur 12 dont il augmente la
pression.
Au niveau de la paroi inférieure 9, l'écoulement du flux d'air chaud
4 créé une dépression au niveau des ouvertures 42 de la zone d'aération 41
causant l'échappement de l'air froid présent dans l'espace intérieur 12 à une
pression plus élevée. Celui-ci est alors entraîné le long de la paroi
inférieure 9
et forme une couche de fluide froid entre celle-ci et le flux d'air chaud 4.
Il convient de noter ici que le motif de perçage que forme les
ouvertures 42 est conçu de manière à ce que l'air froid présent dans l'espace
intérieur 12 s'échappe et s'écoule au plus près de la paroi inférieure 9.
De plus, dans le mode de réalisation décrit, c'est l'espace intérieur
12 qui remplit le rôle de moyen de canalisation entre les écopes statiques 20
ou dynamiques 30 et les ouvertures 42. Cependant, il est tout à fait possible
de
prévoir un moyen de canalisation spécifique tel qu'un tuyau réalisant cette
connexion. Dans ce cas, le volume du moyen de canalisation étant plus faible,
la mise en pression sera plus aisée et une écope statique 20 pourra suffire là
où une écope dynamique 30 était nécessaire.
En outre, les modes de réalisation décrits présentent la réalisation
d'un motif de perçage. Il doit être bien compris qu'il est également possible
de
prévoir d'autres formes d'ouvertures, tel que des fentes, ou encore de
multiples
ouvertures associées chacune à un moyen de canalisation propre. Le terme
motif de perçage doit donc être défini globalement par rapport à la
répartition
de la totalité de l'air froid amené au niveau de la paroi inférieure 9 et non
pas
individuellement par rapport à un moyen de canalisation donné.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des exemples
particuliers de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement
limitée et
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qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que
leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
