Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
WO 2020/188197 PCT/FR2020/050524
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REDRESSEUR DE FLUX SECONDAIRE A TUYERE INTEGREE
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR
Le domaine de l'invention concerne les turbomachines à flux multiples, et
plus précisément les redresseurs de flux d'une turbomachine à flux
.. multiples séparés.
Une turbomachine à flux multiples telle qu'illustrée en figure 1 comporte
classiquement une soufflante 1, un carter de soufflante 2 et un carter 3
s'étendant selon un axe longitudinal X.
Le carter 3 loge les éléments de compression, de combustion et de
.. détente de la turbomachine.
Le carter de soufflante 2 s'étend radialement extérieurement à la
soufflante 1 et au carter 3 de manière à délimiter le flux entrant dans la
soufflante 1.
La soufflante 1 comprime et accélère le flux d'air entrant dans le carter de
soufflante 2, ce flux d'air circulant ensuite dans un circuit primaire 4 et un
circuit secondaire 5, le circuit primaire 4 étant situé à l'intérieur du
carter
3 et parcourant les différents éléments de compression, de combustion et
de détente, le circuit secondaire 5 étant délimité radialement
intérieurement par le carter 3 et extérieurement par le carter de soufflante
.. 2.
La rotation de la soufflante 1 induisant une giration dans le flux qu'elle
accélère, il est connu de disposer un redresseur 6 de flux dans le circuit
secondaire 5, le redresseur 6 comportant une pluralité d'aubes 7
configurées pour modifier la direction de circulation du flux afin d'obtenir
un écoulement axial en aval du redresseur 6.
Le profil des nacelles 2 est classiquement configuré pour former une
tuyère à l'aval des redresseurs et accélérer et détendre le flux secondaire
de manière à engendrer la poussée, la section du circuit secondaire 5
diminuant vers l'aval (dans le cas d'une tuyère convergente), puis peut
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éventuellement ré-augmenter dans le cas d'une tuyère convergente-
divergente.
Dans une turbomachine à flux séparés chaque flux est éjecté par une
tuyère. La tuyère (primaire comme secondaire) transforme l'énergie
potentielle en énergie cinétique, c'est-à-dire qu'elle convertit la pression
du flux en vitesse d'éjection, ce qui engendrera la poussée.
La tuyère du flux secondaire entoure et est classiquement placée à l'amont
de la tuyère du flux primaire. La tuyère de flux primaire est délimitée par
un cône dont la pointe est dirigée vers l'aval et par un carter annulaire
présentant un bord de fuite orienté vers l'aval. Le cône et le carter
définissent un circuit de section convergente ou convergente-divergente
selon les choix d'architecture faits.
La tuyère secondaire est délimitée par un conduit appartenant au carter
de soufflante (couramment appelé OFD ou OFS abrégé de l'anglais Outer
Fan Duct/Shroud ) et au carter de turbomachine (couramment appelé
IFD ou IFS abrégé de l'anglais Inner Fan Duct/Shroud ). Les deux
carters définissent une section convergente ou convergente-divergente
selon l'architecture du reste du moteur.
Cette diminution de section est classiquement située en aval du redresseur
6, de manière à accélérer le flux secondaire lorsqu'il s'écoule axialement,
le flux secondaire étant ensuite éjecté autour du flux primaire.
Afin de gagner en rendement propulsif, on cherche à maximiser le taux de
dilution, c'est-à-dire le rapport des débits massiques du flux secondaire et
du flux primaire, et donc à minimiser le rapport de compression de la
soufflante 1 pour une poussée donnée.
L'augmentation du taux de dilution augmente le diamètre de la soufflante
pour une même poussée ce qui entraine l'augmentation du volume et du
poids du carter de soufflante. Donc pour limiter cet inconvénient on
cherche à réduire le carter de soufflante 2 à son strict minimum, afin de
réduire sa masse et les pertes de charge du circuit secondaire 5, l'effet
des pertes de charges sur le flux secondaire étant d'autant plus important
que le débit est grand, nécessaire pour un taux de dilution important, et la
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pression faible, nécessaire pour un faible rapport de compression de la
soufflante 1.
Ainsi, l'entrée d'air doit être extrêmement courte, et le carter de soufflante
2 doit être la plus courte possible après la sortie des aubes 7 de
redresseur 6.
PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION
Un but de l'invention est de réduire les pertes de charges induites par le
carter de soufflante.
Un autre but de l'invention est d'accélérer le flux secondaire.
Un autre but est de limiter les pertes de charges induites par le
redresseur.
Un autre but de l'invention est d'augmenter le taux de dilution de la
turbomachine.
Un autre but est de réduire le rapport de compression de la soufflante.
Afin d'y parvenir, l'invention propose un ensemble pour turbomachine
s'étendant selon un axe et comprenant :
- une virole configurée pour délimiter une veine de soufflante d'un flux de
gaz de ladite turbomachine,
- un carter de soufflante, entourant radialement la virole et délimitant
avec la virole la veine de soufflante,
-un redresseur comprenant une pluralité d'aubes configurées pour
redresser un flux secondaire circulant dans la veine de soufflante, dans
lequel la pluralité d'aubes comprend une première aube et une deuxième
aube adjacente à la première aube délimitant entre elles un canal
d'écoulement convergent configuré pour redresser et accélérer le flux au
moyen d'une section d'entrée comprise dans un plan non perpendiculaire à
l'axe de la turbomachine et une section de sortie comprise dans un plan
perpendiculaire à l'axe de la turbomachine, la première aube et la
deuxième aube présentant chacune une partie aval non carénée formant
un bord de fuite.
Cela permet de redresser et d'accélérer le flux propulsé par la soufflante
et transitant dans un canal d'écoulement.
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Avantageusement, l'invention peut être complétée par les caractéristiques
suivantes, prises seules ou en combinaison :
- le canal d'écoulement comprend d'amont en aval une portion
d'admission se rétrécissant d'amont vers l'aval et une portion d'éjection
s'évasant d'amont vers l'aval ;
- la première aube présente une première surface, la deuxième aube
présente une deuxième surface en regard de la première surface, la
première surface se rapprochant de la deuxième surface d'amont vers
l'aval ;
- le carter de soufflante s'étend autour d'un axe longitudinal et comprend
une extrémité aval formant bord de fuite, et dans lequel la portion
d'éjection s'étend en aval du bord de fuite du carter de soufflante ; cela
permet de ralentir le flux dans la portion d'éjection jusqu'à la vitesse de
vol ;
- une ligne de cambrure de chaque aube présente un point d'inflexion ;
- chaque aube comprend un bord d'attaque, un bord de fuite opposé au
bord d'attaque, et des parois d'intrados et d'extrados reliant le bord
d'attaque au bord de fuite, et le canal d'écoulement présente, d'amont en
aval dans le sens d'écoulement des fluides,
- une section d'entrée s'étendant de la première aube à la deuxième aube
en étant normale à une direction moyenne de l'écoulement et tangente au
bord d'attaque de l'une des aubes et présentant une première aire,
- une section d'éjection s'étendant de la première aube à la deuxième
aube en étant normale à une direction moyenne de l'écoulement et
présentant une deuxième aire, et
- une section de sortie s'étendant de la première aube à la deuxième aube
en étant normale à une direction moyenne de l'écoulement et tangente au
bord de fuite d'au moins l'une des aubes et présent une troisième aire, la
première aire étant supérieure à la deuxième aire, la deuxième aire étant
inférieure à la troisième aire ;
- le canal d'écoulement présente une section d'entrée définissant un plan
normal à la direction d'écoulement du flux détourné par la soufflante, non
parallèle à l'axe de la turbomachine, et une section d'éjection définissant
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un plan normal à l'axe de la turbomachine ;
- le carter de soufflante se prolonge axialement au-delà du plan médian, le
bord de fuite du carter de soufflante étant situé en aval du plan médian et
en amont des bords de fuite des aubes, au niveau d'un plan de carénage.
5 Cela permet d'accélérer le flux dans une première portion du canal
d'écoulement puis de ralentir le flux dans une deuxième portion de canal
d'écoulement.
Selon un autre aspect, l'invention propose une turbomachine comportant
un tel ensemble.
PRÉSENTATION DES FIGURES
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 1 est un schéma en vue de coupe de profil d'une turbomachine
comportant une nacelle et un redresseur de flux secondaire selon l'art
antérieur ;
La figure 2 est un schéma en vue de coupe de profil qui représente un
ensemble comportant une nacelle et un redresseur de flux secondaire
selon l'invention ;
.. La figure 3 est une projection sur un plan d'une coupe réalisée à rayon
constant de deux aubes adjacentes d'un redresseur selon l'invention.
DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN UVRE ET
DE RÉALISATION
L'invention s'applique à une turbomachine comprenant :
- une virole 32 configurée pour délimiter intérieurement une veine de
soufflante 5 d'un flux de gaz de ladite turbomachine,
- un carter de soufflante 2, entourant radialement la virole 32 et
délimitant avec la virole 32 la veine de soufflante 5,
- un redresseur 6 comprenant une pluralité d'aubes 7 configurées pour
redresser un flux secondaire circulant dans la veine de soufflante 5, dans
lequel la pluralité d'aubes 7 comprend une première aube 7a et une
deuxième aube 7b adjacente à la première aube 7a délimitant entre elles
un canal d'écoulement 13, la première aube 7a et la deuxième aube 7b
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étant configurées pour redresser et accélérer le flux circulant dans le canal
d'écoulement 13.
Le flux circulant ainsi dans le redresseur 6 est accéléré de telle sorte qu'il
n'est plus nécessaire de former une tuyère en aval du redresseur 6 entre
le carter de soufflante 2 et la virole 32.
Il est donc possible de raccourcir fortement le carter de soufflante 2, et
donc de réduire sa masse, ou de permettre une augmentation de son
diamètre tout en conservant une masse sensiblement similaire à un carter
de soufflante 2 de l'art antérieur.
Cela permet également de réduire les pertes de charges causées par le
carter de soufflante 2.
Dans tout le texte de cette demande, les notions d'amont et d'aval sont
définies dans le sens de l'écoulement des gaz dans la turbomachine.
La turbomachine s'étend selon un axe X de turbomachine, et les termes
axial, radial et tangentiel se réfèrent à l'axe X de la turbomachine. Une
direction axiale suit l'axe X de la turbomachine, une direction radiale est
perpendiculaire à l'axe X de la turbomachine, et une direction tangentielle
est orthogonale à une direction radiale et une direction axiale.
Dans le mode de réalisation représenté en figure 2, la turbomachine est
une turbomachine à double flux comportant en outre une soufflante 1,
logée dans le carter de soufflante 2, et mobile en rotation autour d'un axe
longitudinal X, une virole interne 31 configurée pour délimiter une veine
primaire 4 d'un flux de gaz primaire de la turbomachine, la virole 32 et le
carter de soufflante 2 délimitant une veine dite secondaire d'écoulement
d'un flux d'air propulsé par la soufflante 1.
Dans le mode de réalisation représenté, la virole 32 se situe dans le
prolongement amont du carter 3 de la turbomachine.
Dans d'autres modes de réalisation, la virole 32 peut faire partie du carter
3, et ainsi former la portion amont du carter 3.
La virole 32 et la virole interne 31 peuvent ne former qu'une pièce et
former le bord d'attaque du carter 3.
Dans le mode de réalisation représenté en figure 3, chaque aube 7
comprend un bord d'attaque 9, un bord de fuite 12 opposé au bord
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d'attaque 9, et des parois d'intrados 11 et d'extrados 10 reliant le bord
d'attaque 9 au bord de fuite 12, et le canal d'écoulement 13 présente,
d'amont en aval dans le sens d'écoulement des fluides,
- une section d'entrée 14a s'étendant de la première aube 7a à la
s deuxième aube 7b en étant normale à une direction moyenne de
l'écoulement et tangente au bord d'attaque 9 de l'une des aubes 7,
- une section d'éjection 14b s'étendant de la première aube 7a à la
deuxième aube 7b en étant normale à une direction moyenne de
l'écoulement, et
- une section de sortie 14c s'étendant de la première aube 7a à la
deuxième aube 7b en étant normale à une direction moyenne de
l'écoulement et tangente au bord de fuite 12 d'au moins l'une des aubes
7.
La section d'entrée 14a, la section d'éjection 14b et la section de sortie
14c s'étendant respectivement de la limite radialement intérieure à la
limite radialement extérieure des aubes 7.
La section d'entrée 14a correspond ainsi à une section radiale du canal 13
d'écoulement qui coïncide avec le bord d'attaque 9 de la deuxième aube
7b, et la section d'éjection 14b correspond à une section radiale
s'étendant en aval de la section d'entrée 14a.
La section d'éjection 14b présente une surface inférieure à une surface de
la section d'entrée 14a et inférieure à une surface de la section de sortie
14c.
Cette diminution de section du canal d'écoulement 13 permet d'accélérer
le flux secondaire lorsqu'il circule dans le redresseur 6.
Le canal d'écoulement 13 présente une section radiale 14 qui est définie
comme un plan virtuel s'étendant de la paroi extrados 10a de la première
aube 7a à la paroi intrados 11b de la deuxième aube 7b en étant normal à
une direction moyenne de l'écoulement au niveau d'une ligne de courant
centrale F et s'étendant sensiblement radialement par rapport à l'axe
longitudinal X.
Il est entendu par ligne de courant centrale la ligne de courant située à
équidistance de la première aube 7a et de la deuxième aube 7b.
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La section radiale 14 du canal d'écoulement 13 présente une surface qui
diminue progressivement entre la section d'entrée 14a et la section
d'éjection 14b.
Plus précisément la section radiale 14 présente une largeur L définie
comme une distance entre l'extrados 10a de la première aube 7a et
l'intrados 11b de la deuxième aube 7b pour une distance à l'axe X
constante, et dans lequel la largeur de la section radiale 14 est
décroissante suivant la circulation de l'écoulement dans le canal
d'écoulement 13 entre la section d'entrée 14a et la section d'éjection 14b.
Dit autrement, la paroi extrados 10a de la première aube 7a et la paroi
intrados 11b de la deuxième aube 7b sont de plus en plus proches l'une de
l'autre, pour une distance à l'axe X donnée, au fur et à mesure que le flux
circule d'amont en aval dans le canal d'écoulement 13.
Cela permet de faire diminuer la surface de la section radiale 14, ce qui
permet d'engendrer une accélération du flux.
Cela permet notamment de faire diminuer la surface de la section radiale
14 tout en évitant des variations fortes du profil du carter de soufflante 2
et de la virole extérieure 32, de sorte que les perturbations et éventuels
décollements aérodynamiques pouvant être engendrés par de telles
variations sont évités.
Dans le mode de réalisation représenté, une section radiale 14 présente
une forme comparable à une portion angulaire d'un disque et présente une
dimension dans une direction transversale et une dimension dans une
direction radiale.
Dans la direction transversale, la section radiale 14 est délimitée par la
première aube 7a et la deuxième aube 7b.
La distance séparant la première aube 7a et la deuxième aube 7b, la
largeur L, est fonction de la distance à l'axe X de la turbomachine à
laquelle la largeur L considérée. En effet la distance entre la première
aube 7a et la deuxième aube 7b est croissante avec la distance à l'axe X.
Il en résulte que la largeur d'une section radiale 14 est fonction du rayon
ou d'une distance à l'axe X de la turbomachine, et augmente en fonction
de la distance à l'axe X de la turbomachine.
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Dans une direction radiale, la section radiale 14 est délimitée radialement
intérieurement par la virole extérieure 32 et s'étend sur toute la hauteur
d'une aube 7.
La section radiale 14 présente une limite radialement intérieure et une
limite radialement extérieure formant chacune sensiblement un arc de
cercle.
En déplaçant la section radiale 14 d'amont vers l'aval, la largeur L
diminue, et optionnellement la dimension dans la direction radiale diminue
également.
Ainsi, la diminution de la section d'écoulement 14 entraîne une détente et
donc une accélération du flux secondaire.
Plus précisément, l'intrados 11a de la première aube 7a et l'extrados 10b
de la deuxième aube 7b sont donc configurés pour que la largeur L d'une
section radiale 14, pour une distance à l'axe X de la turbomachine donnée,
décroisse au fur et à mesure du déplacement du flux vers l'aval.
Si on considère une section radiale 14 située en aval de la section d'entrée
14a, la largeur L de la section radiale 14 sera inférieure à la largeur de la
section d'entrée 14a.
Il est évident que pour comparer la largeur de la section d'entrée 14a et la
largeur L de la section radiale 14, il faut que ces deux valeurs soient
exprimées pour un même rayon.
Cette largeur L peut optionnellement être la longueur d'un segment de
droite joignant à mi-hauteur la première aube 7b et la deuxième aube 7a.
Avantageusement, pour chaque section radiale 14 entre la section
d'entrée 14a et la section d'éjection 14b, la longueur du segment de droite
joignant à mi-hauteur la première aube 7b et la deuxième aube 7a
diminue progressivement entre la section d'entrée 14a et la section
d'éjection 14b.
La section d'éjection 14b présente la surface minimale pour une section
3o radiale 14.
Dans le mode de réalisation représenté, la largeur L d'une section radiale
14 diminue en se déplaçant d'amont vers l'aval jusqu'à un plan médian
15, le plan médian 15 comportant donc la section d'éjection 14b.
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Dans le mode de réalisation représenté, le plan médian 15 est normal à
l'axe X de la turbomachine, et délimite le canal d'écoulement 13 en deux
parties, une portion amont ou d'admission 16 et une portion aval ou
d'éjection 17.
5 Si la section radiale 14 est située dans la portion d'admission 16, la
dimension transversale de la section radiale 14 est inférieure à la
dimension transversale de la section d'entrée 14a et supérieure à la
dimension transversale de la section d'éjection 14b.
Dit autrement, dans la portion d'admission 16, le canal d'écoulement 13
10 est convergent, la section radiale 14 présentant une surface
décroissante
d'amont vers l'aval.
Cela provoque une détente du flux traversant le canal d'écoulement 13, et
incidemment une accélération du flux.
La portion d'admission 16 du canal d'écoulement 13 est configurée pour
réaliser le travail de modification de la direction d'écoulement et de
l'accélération du flux.
Le canal d'écoulement 13 présente donc une section d'entrée 14a
définissant un plan normal (ou orthogonal) à la direction d'écoulement du
flux détourné par la soufflante, ce plan n'étant donc pas normal à l'axe X
de la turbomachine, et une section d'éjection 14b définissant un plan
normal à l'axe X de la turbomachine. Cela permet d'éjecter un flux
circulant dans une direction sensiblement parallèle à l'axe de la
turbomachine.
Dit autrement, la portion d'admission 16 redresse le flux tout en le
détendant et en l'accélérant jusqu'à l'éjection au niveau du plan médian
15.
La portion d'éjection 17 est configurée pour minimiser la traînée
aérodynamique du redresseur 6.
L'angle d'incidence du profil par rapport au flux est faible de manière à
éviter le décollement du flux d'air, tout en ayant une longueur la plus
courte possible pour minimiser les frottements visqueux.
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Une partie de la portion d'éjection 17 est située en aval du bord de fuite 8
du carter de soufflante 2. Ainsi, cela permet de ralentir le flux dans la
portion d'éjection 17 jusqu'à la vitesse de vol.
Plus spécifiquement, en aval du plan médian 15 le profil des aubes 7 est
configuré pour minimiser la traînée de chaque aube 7, les aubes 7
s'étendant donc axialement jusqu'à leur bord de fuite 12.
La section d'une aube 7 en aval du plan médian 15, plus particulièrement
sa dimension dans la direction tangentielle, diminue vers l'aval jusqu'à son
bord de fuite 12, la diminution de la dimension tangentielle de l'aube 7
étant configurée pour limiter les décollements aérodynamiques.
Ainsi, les flux transitant dans des canaux d'écoulement 13 situés côte à
côte se rejoignent sans décollement aérodynamique.
La section du canal d'écoulement 13 augmente donc vers l'aval dans la
portion d'éjection 17.
Optionnellement, les aubes 7 présentent une ligne de cambrure 71 qui
peut comporter un point d'inflexion, la ligne de cambrure ou ligne
moyenne étant définie en ce qu'elle s'étend du bord d'attaque 9 au bord
de fuite 12 et qu'elle est à mi-distance de l'extrados 10 et de l'intrados 11.
La ligne de cambrure 71 présente une inclinaison par rapport à l'axe X de
la turbomachine correspondant à la giration du flux au bord d'attaque 9, et
est sensiblement parallèle à l'axe moteur du plan médian 15 au bord de
fuite 12.
Avantageusement, le plan médian 15, et donc la section d'éjection 14b,
coïncide avec le bord de fuite 8 du carter de soufflante. La portion
d'éjection 17 n'est donc pas carénée. Ainsi, la longueur du carter de
soufflante 2 peut être réduite au minimum sans pénaliser le
fonctionnement de la portion d'admission 16 qui est carénée par le carter
de soufflante 2, ni le fonctionnement de la portion d'éjection 17 dont le
seul rôle est de réduire la traînée.
Une portion des aubes 7, notamment le bord de fuite 12, se situe alors en
aval du bord de fuite 8 du carter de soufflante 2, et n'est donc pas
carénée.
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Cela permet de minimiser la longueur du carter de soufflante 2, et de ce
fait de minimiser les pertes de charge induites par le carter de soufflante
2.
Dans une variante, le carter de soufflante 2 peut se prolonger axialement
au-delà du plan médian 15. Dans cette configuration, le bord de fuite 8 du
carter de soufflante 2 est situé en aval du plan médian 15 et en amont des
bords de fuite des aubes 12, au niveau d'un plan de carénage 18. Cette
configuration permet de former un profil convergent puis divergent dans la
partie carénée des canaux d'écoulement 13 (c'est à dire couverte par le
carter de soufflante 2). Cela permet d'améliorer la performance en
fonction du domaine de vol.
Avantageusement, chaque paire d'aubes 7 adjacentes du redresseur 6
définit un canal d'écoulement 13 configuré pour redresser et accélérer le
flux simultanément, les aubes du redresseur 6 définissant ainsi une
pluralité de canaux d'écoulement 13 répartis circonférentiellement.
Cela permet d'accélérer le flux de manière homogène sur toute la
circonférence du redresseur 6.
Dans un tel ensemble, l'absence de tuyère formée par le carter de
soufflante 2 et la virole 32 est compensée par l'effet de détente du
redresseur 6, plus particulièrement par le travail de détente réalisé par la
portion d'admission 16 des canaux d'écoulement 13.
Les pertes de charges sont réduites par la diminution de la longueur de le
carter de soufflante 2 et le profil des aubes 7, plus particulièrement le
bord de fuite 12 et le profil de la portion d'éjection 17 permettent de
réduire la traînée et ainsi de limiter les décollements et les pertes de
charges.
Un tel ensemble permet donc de redresser et accélérer le flux transitant
dans les canaux d'écoulement 13, à la différence d'éléments de déviation
de flux classiques.
Les redresseurs classiques redressent le flux et le ralentissent.
Les distributeurs classiques accélèrent le flux tout en le déviant, c'est-à-
dire que le flux arrive dans le distributeur avec une direction d'écoulement
sensiblement parallèle à l'axe X de la turbomachine et sort du distributeur
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avec une direction d'écoulement inclinée par rapport à l'axe de la
turbomachine.
Les tuyères classiques forment un canal convergent qui accélère le flux
sans le dévier.
s En outre, le profil des aubes 7 se terminant par un bord de fuite permet
d'éviter le décollement de flux à la sortie de l'ensemble.
