FR3043735A1

FR3043735A1 - Conduit d'entree d'air de turbomachine d'aeronef

Info

Publication number: FR3043735A1
Application number: FR1561029A
Authority: FR
Inventors: Guillaume Rodolphe Jacques Gerard Pouyau; Romeo Brogna
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2017-05-19
Anticipated expiration: 2035-11-17
Also published as: GB2545972A; GB2545972B; US10316747B2; FR3043735B1; US20170138261A1

Abstract

Conduit d'entrée d'air (16, 18) pour alimenter en air un générateur de gaz de turbomachine, en particulier une turbomachine d'aéronef, s'étendant axialement entre l'entrée d'air (10, 12) et le générateur de gaz et présentant une déviation susceptible d'entraîner un décollement de la couche limite formée par le flux d'air le long de la paroi du conduit (16, 18), caractérisée par le fait qu'il comprend un élément de guidage (20) situé dans le conduit et configuré pour guider l'air le long de la paroi du conduit (16, 18) sur une section (18D) présentant la déviation, ledit élément de guidage (20) s'étendant transversalement par rapport au sens d'écoulement de l'air avec, à ses extrémités, deux profils d'extrémité (24, 26) formant un angle non nul avec l'élément de guidage (20), lesdits deux profils d'extrémité étant aptes à générer des tourbillons dans le flux d'air.

Description

Conduit d’entrée d’air de turbomachine d’aéronef

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne le domaine des écoulements de fluide le long d’une surface présentant une forte déviation, et vise les entrées d’air de moteurs d’aéronef.

ETAT DE L’ART

Un conduit d’entrée d’air de turbomachine, en particulier une turbomachine d’aéronef a pour fonction de guider l’air depuis l’entrée d’air de la turbomachine jusqu’au générateur de gaz. Certaines turbomachines, tels qu’un turbopropulseur ou un moteur à hélice non carénée (par exemple de type à doublet contrarotatif) peuvent comporter une entrée d’air dans la turbomachine avec un axe différent de l’entrée d’air dans le générateur de gaz par lequel l’hélice est entraînée. Leurs axes peuvent être décalés. C’est le cas généralement pour un turbopropulseur où l’axe de l’hélice est lui-même décalé (ou « offset » en anglais) par rapport à celui du générateur de gaz. Ce peut être le cas également dans un moteur à doublet contrarotatif à l’avant du moteur. La figure 1 montre une turbomachine de ce type avec deux entrées d’air d’axes décalés par rapport à celui de la turbomachine. La manche d’entrée d’air comporte alors une zone où le flux d’air subit une forte déviation.

Le conduit d’entrée d’air comprend dans ce cas entre l’entrée d’air et le générateur de gaz une section intermédiaire de forme relativement complexe, avec le cas échéant un canal d’évacuation de particules formant piège, qui s’étend sensiblement selon l’axe de l’entrée d’air dans la nacelle et qui permet d’évacuer des corps étrangers afin qu’ils n’entrent pas dans le générateur de gaz.

La section intermédiaire a, vu de côté, une forme générale en col de cygne dont l’extrémité amont est raccordée à l’entrée d’air dans la nacelle et dont l’extrémité aval est raccordée par un canal d’alimentation à l’entrée d’air dans le générateur de gaz. Le canal d’alimentation est situé radialement vers l’intérieur par rapport au canal d’évacuation et la section intermédiaire comprend une partie de raccordement d’un canal à l’autre. Il existe d’autres types d’entrée d’air, chacune de ces entrées d’air comportant une partie de raccordement formant une déviation du flux d’air.

Le conduit d’entrée d’air a pour rôle d’alimenter le générateur de gaz en air de manière la plus homogène possible. Toutefois, la forme complexe du conduit précité génère des distorsions dans le flux d’air alimentant le générateur de gaz, ce qui a une influence négative sur les performances et l’opérabilité de la turbomachine. Cette distorsion est essentiellement due au décollement d’air du fait de la forte déviation du flux d’air dans la section intermédiaire précitée.

Une solution à ce problème consisterait à incorporer des générateurs de vortex ou tourbillons dans l’extrémité amont du conduit d’entrée d’air pour dynamiser la couche limite et réduire le décollement. Il pourrait s’agir par exemple d’une transposition de dispositifs passifs mettant en œuvre des moyens générateurs de tourbillons visant à contrôler le décollement de l’air sur les aubes de turbomachines. Le brevet FR 2 976 634 au nom du présent demandeur décrit un tel dispositif. Il apparaît malheureusement que cette solution bien que fonctionnelle ne serait pas suffisamment efficace dans ce type de configuration. En effet le conduit s’ouvre très fortement au niveau de la déviation et les perturbations nécessaires pour limiter le décollement de la couche limite ne peuvent être fournies par un dispositif de ce type.

Une autre solution connue de l’art antérieur comprend un système de contrôle actif du décollement de la couche limite dans les conduits d’entrée d’air à fortes déviations. Par exemple il est connu des dispositifs avec aspiration de l’air circulant dans le conduit ou bien avec injection d’air à très haute vitesse. De tels dispositifs sont toutefois complexes et nécessitent l’installation d’éléments pour la circulation de l’air, par aspiration ou soufflage, dans un compartiment de la nacelle à proximité du conduit. A la connaissance du présent déposant il n’existe pas de système passif avec générateurs de tourbillons créant des perturbations suffisantes pour permettre de limiter le décollement de la couche limite dans les conduits d’entrée d’air subissant de fortes déviations.

La présente invention a donc pour but de proposer un système permettant de réduire le décollement de flux dans le conduit d’entrée d’air de façon ciblée et ainsi de réduire la distorsion au niveau du compresseur en impactant le moins possible l’opérabilité et les rendements.

EXPOSE DE L’INVENTION L’invention propose un conduit d’entrée d’air pour alimenter en air le générateur à gaz d’une turbomachine, en particulier une turbomachine d’aéronef, s’étendant axialement entre l’entrée d’air et le générateur de gaz et présentant une déviation susceptible d’entraîner un décollement de la couche limite formée par le flux d’air le long de la paroi du conduit, caractérisée par le fait qu’il comprend un élément de guidage situé dans le conduit et configuré pour guider l’air le long de la paroi du conduit sur au moins une section présentant la déviation, ledit élément de guidage s’étendant transversalement par rapport au sens d’écoulement de l’air avec à ses extrémités, deux profils d’extrémité formant un angle non nul avec l’élément de guidage, lesdits deux profils d’extrémité étant aptes à générer des tourbillons dans le flux d’air.

La présente invention propose ainsi une solution simple, efficace et économique.

La présente invention s’applique à toute entrée d’air subissant une forte déviation entraînant un décollement de couche limite telle que dans un turbopropulseur ou bien dans un moteur à hélice non carénée, de type à doublet contrarotatif par exemple.

Conformément à une autre caractéristique l’élément de guidage présente un profil d’aile aérodynamique, avec un intrados et un extrados, l’intrados étant tourné vers la section de la paroi présentant la déviation. En particulier l’élément de guidage est, du côté de son bord de fuite, parallèle à la paroi du conduit d’entrée d’air dans la section de celle-ci présentant ladite déviation.

Conformément à un mode de réalisation, les deux profils d’extrémité s’étendent de part et d’autre de l’élément de guidage, à la fois côté intrados et côté extrados. Plus particulièrement, les profils d’extrémité sont sensiblement plans avec une forme en parallélogramme.

Avantageusement et selon la forme du flux d’air guidé par l’élément de guidage, les deux profils d’extrémité sont parallèles entre eux. Selon une variante, les deux profils d’extrémité s’écartent l’un de l’autre entre le bord d’attaque de l’élément de guidage et le bord de fuite de ce dernier.

Dans une mise en oeuvre de l’invention, l’élément de guidage est fixé à la paroi par au moins un bras support. Cependant selon la résistance requise, l’élément de guidage est retenu par plusieurs bras supports. Généralement le conduit d’entrée d’air est relié à une section formant piège à particules, ladite section est située en aval de l’élément de guidage.

La présente invention concerne également un turbopropulseur d’aéronef ou un moteur open rotor comprenant un conduit tel que décrit ci-dessus.

DESCRIPTION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe avec perspective d’un moteur open rotor montrant le conduit d’entrée d’air auquel s’applique l’invention ; - la figure 2 est un schéma illustrant le phénomène de décollement de la couche limite quand la paroi amorce une forte déviation ; - la figure 3 est une vue en perspective d’un élément de guidage d’air conforme à l’invention ; - les figures 4 et 5 sont des vues de profil de l’élément de guidage de la figure 3 en position dans le conduit d’entrée d’air d’une turbomachine ; - la figure 6 est une vue schématique de face du conduit d’entrée d’air selon l’invention avec l’élément de guidage ; - la figure 7 représente une variante de la forme de l’élément de guidage selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE D’UN MODE DE REALISATION DE L’INVENTION

On se réfère d’abord à la figure 1 qui représente l’avant d’un exemple de moteur open rotor vu en coupe axiale avec perspective trois quarts avant. La turbomachine comprend deux hélices contrarotatives 11, à l’avant, entraînées par un moteur situé dans le prolongement aval de l’axe du doublet d’hélices 11. Immédiatement en aval, deux entrées d’air 10 et 12 sur la nacelle alimentent en air le générateur de gaz non visible sur la figure. Les entrées d’air 10 et 12 sont situées de part et d’autre du carter 13 - ici en haut et en bas - dans lequel est logé le mécanisme d’entraînement et de commande des hélices du doublet 11. Les entrées 10 et 12 communiquent avec deux conduits d’entrée d’air 16 et 18 à section oblongue. Ces deux conduits 16 et 18 convergent en un canal annulaire unique 14 en aval dudit carter 13 et qui forme canal 14 d’alimentation en air du générateur de gaz. Les deux entrées 10 et 12 étant radialement éloignées de l’axe moteur XX’, les deux manches 16 et 18 comprennent une section de transition inclinée radialement pour rejoindre le canal d’alimentation annulaire 14. Pour le conduit 18, le profil de la paroi radialement le plus proche de l’axe présente donc une première section 18A éloignée de l’axe puis une section 18D à pente tournée vers l’axe se raccordant avec la partie 18 E du canal 14 d’alimentation du moteur. Il en est de même pour le conduit d’entrée d’air 16. En regard de cette section 18D de paroi inclinée vers l’axe, le conduit 18 s’élargit en raison de la présence d’un piège pour les particules et les corps étrangers. Le flux d’air s’écoulant le long du conduit 18 d’entrée d’air subit en cet endroit une déviation importante, les particules suivant une trajectoire axiale vers le canal 15 du piège. Il est à noter la séparation 15S entre le canal 15 et le canal 14 d’alimentation du générateur de gaz. Les conditions aérodynamiques sont susceptibles d’induire un décollement de la couche limite le long de la paroi quand elle passe de la section 18A parallèle à l’axe du moteur à la section 18D inclinée de la paroi. Ce décollement vient perturber l’écoulement et créer des distorsions qui affectent les performances et l’opérabilité du générateur de gaz à l’aval.

La solution conforme à l’invention repose sur deux effets : L’orientation locale du fluide pour diminuer l’influence du changement de direction du conduit 18. L’introduction de tourbillons visant à dynamiser le fluide et ainsi réduire encore le décollement.

Le fluide est orienté au moyen d’un élément de guidage 20 positionné dans le conduit 18, cet élément présentant un profil courbé. Cet élément de guidage 20, illustré sur les figures 3 à 6 est disposé, pour le conduit 18, à distance de la paroi au niveau du passage de la section 18A à la section 18D, à 12h c'est-à-dire pour le conduit 18, au point bas de la déviation. Cet élément de guidage 20 permet une orientation du fluide dans la direction voulue. La pénétration de l’élément de guidage 20 dans le conduit 18 est déterminée en fonction de la configuration étudiée. Les paramètres pris en considération sont notamment la couche limite, le débit d’air et la position du décollement. L’extension horizontale, dans le sens transversal, c'est-à-dire la largeur de l’élément 20 est déterminée par la taille du décollement.

Les tourbillons sont obtenus au moyen de profils 24 et 26 disposés sur les extrémités transversales de l’élément de guidage 20 et perpendiculaires à celui-ci. Ainsi lorsque le flux d’air balaie l’élément de guidage 20 des tourbillons apparaissent à ses extrémités transversales et dynamisent l’écoulement du fluide, lui-même préalablement convenablement orienté par l’élément de guidage 20. On combine ainsi deux effets : une redirection et une dynamisation.

Par rapport aux générateurs de vortex connus, comme ceux décrits dans le brevet FR 2 676 634 l’agencement de l’élément de guidage 20 crée deux tourbillons aux extrémités transversales alors que le générateur de vortex connu n’en créé qu’un seul. Les profils 24 et 26 en bout de l’élément de guidage sont, par exemple, réalisés avec de simples plaques qui sont préférentiellement profilées aérodynamiquement pour limiter leur impact sur le flux d’air entrant. Sur l’exemple représenté sur la figure 3, les plaques forment un parallélogramme.

Le corps de l’élément de guidage 20 a de préférence un profil d’aile avec un bord d’attaque 20BA et un bord de fuite 20BF et entre les deux une face intrados 20in et une face extrados 20ex opposée. La face intrados est disposée en regard des sections 18A et 18D de la paroi du conduit 18. L’élément de guidage 20 est fixé à la section 18A de la paroi du conduit d’entrée d’air 18 au moyen d’un bras 22. Selon les efforts aérodynamiques que doit subir l’élément de guidage, il peut être opportun de prévoir plusieurs bras supports. La figure 4 montre l’élément de guidage 20 en position dans le conduit par rapport à la paroi, le bras support et les profils ayant été masqués. On note que la portion de l’élément de guidage 20 située vers le bord de fuite 20BF est de préférence parallèle à la section 18D inclinée.

Il a été constaté qu’en l’absence des profils d’extrémité 24 et 26, des tourbillons aux extrémités de l’élément de guidage se développent ayant pour effet un transfert de quantité de mouvement, et donc d’énergie, de la région de l’écoulement en proche paroi vers l’extérieur. Ce transfert d’énergie est déstabilisant pour la couche limite et réduit l’efficacité de l’élément de guidage 20. La disposition des profils d’extrémité réduit l’intensité de ces tourbillons perturbateurs et favorise au contraire la création de tourbillons induisant un transfert d’énergie dans le sens souhaité. Sur la figure 5 on a indiqué le sens de rotation des tourbillons induits par les profils d’extrémité. L’intensité des tourbillons générés par les profils d’extrémité 24 et 26 est directement liée à la différence de pression entre l’intrados et l’extrados de l’élément de guidage. Cette différence de pression est contrôlée par la forme et l’orientation des profils d’extrémité 24 et 26 par rapport à l’écoulement local. La figure 7 montre un exemple de profils d’extrémité 24’ et 26’ rectangulaires orientés par rapport à l’écoulement avec un angle non nul de façon à créer la différence de pression souhaitée. Un côté de l’ailette verticale est « au vent >> (pression positive - signe « + >>) et l’autre est « sous le vent >> (pression négative - signe « - >>). On obtient donc un delta de pression. Cette différence de pression va chercher à s’équilibrer en créant un tourbillon (phénomène naturel) que l’on utilise ici pour redynamiser la couche limite.

On a décrit la solution de l’invention pour le conduit d’entrée d’air 18 dans la structure de la figure 1. La solution s’applique également au conduit d’entrée d’air 16.

Claims

REVENDICATIONS

1. Conduit d’entrée d’air (16, 18) pour alimenter en air un générateur de gaz de turbomachine, en particulier une turbomachine d’aéronef, s’étendant axialement entre l’entrée d’air (10,12) et le générateur de gaz et présentant une déviation susceptible d’entraîner un décollement de la couche limite formée par le flux d’air le long de la paroi du conduit (16, 18), caractérisée par le fait qu’il comprend un élément de guidage (20) situé dans le conduit et configuré pour guider l’air le long de la paroi du conduit (16, 18) sur une section (18D) présentant la déviation, ledit élément de guidage (20) s’étendant transversalement par rapport au sens d’écoulement de l’air avec, à ses extrémités, deux profils d’extrémité (24, 26) formant un angle non nul avec l’élément de guidage (20), lesdits deux profils d’extrémité étant aptes à générer des tourbillons dans le flux d’air.
2. Conduit d’entrée d’air selon la revendication 1 dont l’élément de guidage (20) présente un profil d’aile aérodynamique, avec un intrados (20in) et un extrados (20ex), l’intrados étant tourné vers la section (18D) de la paroi présentant la déviation.
3. Conduit d’entrée d’air selon l’une des revendications précédentes dont les deux profils d’extrémité (24, 26) s’étendent de part et d’autre de l’élément de guidage (20), à la fois côté intrados (20in) et côté extrados (20ex).
4. Conduit d’entrée d’air selon la revendication précédente dont les profils d’extrémité (24, 26) sont sensiblement plans avec une forme de parallélogramme.
5. Conduit d’entrée d’air selon la revendication précédente dont les deux profils d’extrémité (24, 26) sont parallèles entre eux.
6. Conduit d’entrée d’air selon la revendication 4 dont les deux profils d’extrémité s’écartent l’un de l’autre entre le bord d’attaque (20BA) de l’élément de guidage et le bord de fuite (20BF) de ce dernier.
7. Conduit d’entrée d’air selon l’une des revendications précédentes dont l’élément de guidage (20) est fixé à la paroi du conduit (16, 18) par au moins un bras support (22).
8. Turbopropulseur d’aéronef, caractérisé en ce qu’il comprend un conduit d’entrée d’air selon l’une des revendications précédentes.