La présente invention concerne le domaine des turbomachines, notamment des turbomachines aéronautiques telles que des moteurs d'avion.

L'invention concerne plus particulièrement une tuyère de turbomachine, dans laquelle le fluide de travail circule en fonctionnement normal de l'amont vers aval, comprenant à son extrémité aval une paroi externe et un noyau dont la partie amont est entourée par cette paroi externe et dont la partie aval prolonge cette partie amont en aval de cette paroi externe, la frontière entre la partie amont et la partie aval étant définie par l'intersection entre le noyau et la surface formée des bissectrices des angles aigus formés par les droites perpendiculaires à cette paroi externe et passant par l'extrémité aval de cette paroi externe et les droites perpendiculaires à la face externe de ce noyau et passant par l'extrémité aval de la paroi externe, l'espace entre la paroi externe et la partie amont du noyau définissant une veine annulaire dont l'axe est un axe longitudinal A.

Dans la description qui suit, les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal du fluide de travail dans la tuyère.

Les termes "interne" et "externe" indiquent une partie située radialement à, ou orientée radialement vers, l'intérieur ou l'extérieur respectivement par rapport à l'axe longitudinal de la tuyère.

La figure 1 montre, de façon schématique, une turbomachine

(moteur d'avion) 1 en coupe longitudinale. En fonctionnement normal, le fluide de travail, formé dans cet exemple par de l'air et des gaz de combustion, circulent de l'amont vers l'aval, c'est-à-dire de la gauche vers la droite sur la figure 1. La turbomachine comporte une tuyère 2 dont l'extrémité aval comporte une paroi externe 100, et un noyau 200 (ce noyau peut également être appelé "plug"). La paroi externe 100 et le noyau 200 sont coaxiaux, leur axe longitudinal étant un axe A (dans le cas représenté l'axe A est le même que l'axe de la turbomachine. Dans certains cas l'axe A peut être incliné par rapport à l'axe de la turbomachine). La paroi externe 100 présente une extrémité aval 105. La partie amont 210 du noyau 200 est entourée par la paroi externe 100. L'espace entre cette partie amont 210 et la paroi externe 100 forme ainsi une veine annulaire 300 d'axe longitudinal A.

La partie aval 230 du noyau 200 prolonge cette partie amont 210 en aval de la paroi externe 100, c'est-à-dire que cette partie aval 230 n'est pas entourée par la paroi externe 100.

La partie amont 210 et la partie aval 230 se rejoignent à une frontière 220. Le positionnement de cette frontière 220 est défini comme suit (voir figure 3) : En chaque point M de l'extrémité aval 105 de la paroi externe 100, on considère une première droite Dl passant par ce point M et qui est perpendiculaire à la paroi externe 100, et une seconde droite D2 passant par ce point M et qui est perpendiculaire à la face externe 206 du noyau 200, et on définit la droite D qui est la bissectrice de l'angle aigu formé par la première droite Dl et la seconde droite D2. Cet ensemble de droites D forme une surface S, et l'intersection de cette surface S avec la face externe 206 du noyau 200 constitue la frontière 220 entre la partie amont 210 et la partie aval 230. La portion de la surface S qui s'étend entre la face externe 206 et la paroi externe 100 constitue l'orifice aval de la veine annulaire 300.

La figure 3 représente la partie aval d'une tuyère 2 selon l'art antérieur, en coupe longitudinale. Dans une telle tuyère 2, la partie aval 230 du noyau 200 est conique et se rapproche de l'axe longitudinal A de la tuyère 2 de l'amont vers l'aval. En coupe longitudinale, la face externe 236 de cette partie aval 230 forme donc deux segments qui sont tels que les droites qui les prolongent se croisent sur l'axe longitudinal A.

Pour raisons de symétrie, seule la moitié de la tuyère au dessus de l'axe longitudinal A est représentée.

L'extrémité aval 239 du noyau 200 est sensiblement hémisphérique, c'est-à-dire que la paroi latérale du cône formé par la partie aval 230 se recourbe au niveau du sommet de ce cône (extrémité aval) pour former une portion de sphère. Alternativement, le sommet de ce cône peut être tronqué à son extrémité, ou prolongé par une portion cylindrique s'étendant selon l'axe longitudinal A.

Dans tous les cas, le cône formé par la partie aval 230 du noyau 200 possède un demi-angle au sommet β qui est faible. En effet, la face externe du noyau 200 doit présenter, au niveau de l'orifice aval de la veine annulaire, une pente par rapport à l'axe longitudinal A qui s'écarte au plus d'environ 10° de la pente par rapport à cet axe A de la paroi externe 100. Si la pente de la face externe du noyau 200 est trop supérieure à la pente de la paroi externe 100, la veine annulaire présente un orifice aval qui est trop divergent (la veine annulaire s'évase au niveau de sa section de sortie), et cela est préjudiciable d'un point de vue aérodynamique. Le demi-angle au sommet β, qui est directement lié à la pente de la face externe du noyau 200 est donc nécessairement faible, en pratique inférieur à 21°.

Une telle géométrie permet de minimiser les perturbations aérodynamiques causées par le noyau 200, et les coûts de fabrication de la tuyère 2. Cependant, le noyau 200 est alors d'une longueur plus importante, et est donc plus lourd, ce qui est préjudiciable.

Pour pallier à cet inconvénient et gagner en masse, une solution utilisée dans l'art antérieur consiste à tronquer la partie aval 230 du noyau 200 environ à mi-longueur, au niveau du trait en pointillé sur la figure 3 qui se situe donc à mi-distance entre l'orifice aval de la veine annulaire 300 et l'extrémité aval 239 du noyau 200. Cependant, la large extrémité aval du noyau 200 résultant de cette troncature entraîne une pénalité de performances aérodynamiques qui contrebalance le gain en masse.

Bien que, dans l'état de la technique, comme par exemple dans le brevet GB 1 417 504, des tuyères aient été illustrées avec des noyaux présentant une convexité plus ou moins prononcée dans un plan radial longitudinal, il s'est révélé très difficile d'empêcher le décollement de la couche limite du fluide de travail de la surface externe du noyau, provoquant des turbulences en aval de la tuyère et des possibles pertes de rendement. Ce phénomène est particulièrement prononcé quand la turbomachine est un moteur à réaction monté sous un pylône d'aile d'aéronef. Dans ce cas, l'interférence du jet propulsif avec le pylône facilite le décollement de la couche limite.

La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.

L'invention vise à proposer une tuyère qui soit moins lourde que les tuyères existantes, tout en conservant ses performances aérodynamiques.

Ce but est atteint grâce au fait que la face externe de la partie aval du noyau présente, en aval de la frontière, une région convexe de forte courbure en chaque point de laquelle le rayon de courbure R dans un plan radial longitudinal est inférieur à un premier rayon RI égal à 30 fois un rayon de courbure H du noyau dans un plan transversal à un point d'intersection de ladite frontière et ledit plan radial longitudinal, et une première région de faible courbure, entre ladite frontière et ladite région convexe de forte courbure, en chaque point de laquelle le rayon de courbure R dans ledit plan radial longitudinal est supérieur à un deuxième rayon R2 égal à 10 fois ledit premier rayon RI.

Grâce à ces dispositions, on obtient un gain de masse pour la tuyère par rapport aux tuyères existantes, et on obtient des performances aérodynamiques de la tuyère au moins égales à celles des tuyères existantes. La transition à travers la première région de faible courbure vers la région convexe de forte courbure permet d'atténuer les effets aérodynamiques tendant au décollement de la couche limite de la surface du noyau. Ainsi, la stabilité de l'écoulement est améliorée, et donc la consommation en carburant est réduite.

Afin de faciliter la transition vers la région convexe de forte courbure, la première région de faible courbure peut notamment avoir une longueur non inférieure à 0,02 fois le rayon de courbure H. Toutefois, pour limiter la longueur totale du noyau, ladite première région de faible courbure peut avoir une longueur non supérieure à 0,8 fois le rayon H, et/ou non supérieure à 0,55 fois la distance entre ladite frontière et une extrémité aval du noyau suivant la direction de l'axe longitudinal A. Sauf indication du contraire, on entend par « longueurs », dans le présent contexte, des longueurs axiales suivant la direction de l'axe longitudinal A.

Afin aussi de limiter l'encombrement tout en assurant la stabilité de l'écoulement du fluide de travail en aval de la frontière, ladite région convexe de forte courbure peut avoir une longueur non inférieure à 1,9 fois le rayon H et/ou non supérieure à 2,7 fois le rayon H. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 montre, de façon schématique, un turboréacteur en coupe longitudinale,

- la figure 2 montre la partie aval d'une tuyère selon l'invention,

- la figure 3 montre la partie aval d'une tuyère selon l'art antérieur. La figure 2 montre la partie aval d'une tuyère 1 selon l'invention, s'étendant selon un axe longitudinal A. Pour raisons de symétrie, seule la moitié de la tuyère 1 au dessus de l'axe longitudinal A est représentée.

Au niveau de l'orifice aval de la veine annulaire 300, c'est-à-dire au niveau de la frontière 220, la paroi externe 100 de la tuyère, et la face externe 206 du noyau 200 font entre elles un angle faible, qui est au plus de l'ordre de 10°.

Immédiatement en aval de la frontière 220 se situe la partie aval 230 du noyau 200. Selon l'invention, la face externe 236 de cette partie aval 230 du noyau 200 présente dans un plan radial longitudinal, à proximité de la frontière 220, une région convexe de forte courbure 250.

L'expression "à proximité de" signifie que cette région convexe de forte courbure 250 se situe dans le premier tiers de la longueur totale de la partie aval 230 du noyau 200, c'est-à-dire dans les 33% les plus en amont de cette partie aval 230.

Par "forte courbure", on entend une courbure dont le rayon de courbure est inférieur à un premier rayon RI égal à 30 fois le rayon H du noyau 200 au niveau de la frontière 220. Ce rayon de courbure est défini dans un plan radial, c'est-à-dire un plan contenant l'axe longitudinal A. Ce rayon de courbure de la face externe 236 est ainsi défini, en un point P de la face externe 236, comme étant le rayon R d'un cercle contenu dans ce plan radial longitudinal, passant par ce point P, et venant épouser la face externe 236 au plus près. Ce rayon R est donné par la formule :

où y(x) est l'équation de la courbe formée par l'intersection de la face externe et de ce plan radial, y est la dérivée première de y par rapport à x, et y est la dérivée seconde de y par rapport à x.

Dans le cas présent, ce plan (x,y) est un plan radial contenant l'axe longitudinal A. En figure 2, il s'agit du plan de la feuille.

Dans la tuyère axisymétrique du mode de réalisation illustré, la frontière 220 s'étend dans un plan transversal perpendiculaire à l'axe longitudinal A et forme un cercle centré sur cet axe. Toutefois, dans d'autres modes de réalisation alternatifs avec des tuyères non- axisymétriques, cette frontière 220 peut être elliptique, avec un rapport entre le diamètre mineur et le diamètre majeur de l'ellipse pouvant être aussi bas que 0,85.

Comme représenté sur la figure 2, le rayon H est le rayon de cette frontière 220 dans ce plan transversal à un point d'intersection de la frontière 220 avec le plan radial longitudinal illustré. Le rayon de courbure R en un point P de la région de forte courbure 250 dans ce même plan radial longitudinal est représenté sur la figure 2.

Ainsi, en tout point P de la région convexe de forte courbure 250 de la face externe 236 de la partie aval du noyau 200, le rayon de courbure R est inférieur au premier rayon RI.

L'évasement en sortie de la veine annulaire 300 à cause de la forte courbure en direction de l'axe longitudinal A au niveau de la région convexe de forte courbure 250 entraîne un ralentissement de l'air à ce niveau, et donc une recompression de l'air.

Des études numériques effectuées par les inventeurs ont montré, de façon surprenante, que cette recompression n'entraînait pas de décollement préjudiciable de la couche limite au niveau de cette région de forte courbure 250. Au contraire, on obtient, avec un noyau selon l'invention, une réduction de 0,3% de la consommation spécifique en carburant de la turbomachine munie d'une telle tuyère selon l'invention.

Avantageusement, le rayon de courbure R en chaque point de la région convexe de forte courbure 250 est inférieur à la moitié du premier rayon RI.

La masse de la turbomachine munie d'une telle tuyère est alors réduite davantage, ce qui est avantageux.

Afin d'assurer la stabilité de l'écoulement, cette région de forte courbure peut notamment avoir une longueur entre 1,9 et 2,7 fois le rayon H.

Il est préférable, d'un point de vue aérodynamique (stabilité de l'écoulement) et donc de la consommation en carburant, que la région convexe de forte courbure 250 ne soit pas immédiatement adjacente à la frontière 220. En particulier, il peut être préférable que transition d'une courbure faible ou nulle sur la frontière 220 à la courbure forte dans la région convexe de forte courbure 250 s'effectue progressivement.

Ainsi, il est avantageux que la face externe 236 présente, entre la frontière 220 et la région convexe de forte courbure 250, une première région de faible courbure 240 en chaque point de laquelle tout rayon de courbure dans un plan radial longitudinal est supérieur à un deuxième rayon R2 égal à 10 fois le premier rayon RI.

Par exemple, cette première région de faible courbure 240 forme la totalité de la face externe 236 située entre la frontière 220 et la région convexe de forte courbure 250.

Les essais effectués par les inventeurs ont montré qu'il est avantageux que cette première région de faible courbure 240 soit de longueur supérieure à 1 cm, mesurée le long de la face externe 236. En particulier, la longueur de cette région de faible courbure 240 peut être une longueur axiale, c'est-à-dire, mesurée sur l'axe longitudinal A, d'entre 0,02 et 0,8 fois le rayon H.

En aval de la région convexe de forte courbure 250, le noyau 200 présente une seconde région de faible courbure 260, dans laquelle tout rayon de courbure (dans un plan radial longitudinal) est supérieur au premier rayon RI. Cette plus faible courbure contribue à éviter qu'il se produise un décollement de la couche limite sur la face externe 236.

Avantageusement, la face externe 236 présente, en aval de la région convexe de forte courbure 250, une seconde région de faible courbure 260 en chaque point de laquelle tout rayon de courbure dans un plan radial est supérieur à un deuxième rayon R2 égal à 10 fois le premier rayon RI.

Cette seconde région de faible courbure 260 commence immédiatement en aval de la région de forte courbure 250.

Dans le présent contexte, on entend par « régions à faible courbure » des régions dans lesquelles la courbure peut aussi être nulle.

Par exemple, ces première et seconde régions de faible courbure 240, 260 peuvent être droites, c'est-à-dire que la face externe 236 est, dans ces régions de faible courbure 240,260, conique.

Par exemple, la seconde région de faible courbure 260 forme la totalité de la face externe 236 située en aval de la région de forte courbure 250.

L'extrémité aval 239 du noyau 200 est tronquée, comme représenté sur la figure 2.

Alternativement, cette extrémité aval 239 est sensiblement hémisphérique, ou prolongée par une partie cylindrique. Dans tous les cas, selon l'invention, on obtient une réduction de longueur selon l'axe longitudinal A de la partie aval 230 du noyau 200 d'au moins 20% par rapport à un noyau d'une tuyère selon l'art antérieur.