Brevet FR2090085A1 — publié le 19720114

La présente invention est relative aux moteurs à turbine à gaz et, en particulier, aux moteurs à turbine à gaz pourvus d'un soutirage d'air, l'air ainsi soutiré étant utilisé dans des dispositifhypersustentateurs portés par un avion. 5 II a été déjà proposé, dans le brevet anglais N° 1 127 853, d'agencer un moteur à trois arbres de façon qu'il fournisse le soutirage d'air nécessaire. Selon ce brevet, un ventilateur avant à pas fixe, mis en rotation par une turbine à basse pression, est monté sur un arbre basse pression. Une partie de l'air refou-10 lé par ce ventilateur fournit une poussée avant, par son éjection dans une tuyère de propulsion avant, et le reste de cet air passe dans un compresseur à moyenne pression mis en rotation par une turbine à moyenne pression par l'intermédiaire d'un arbre moyenne pression. Le flux d'air passant dans le compresseur à 15 moyenne pression est divisé, à peu près au milieu de la longueur de son trajet, en deux parties dont l'une passe dans les autres étages du compresseur à moyenne pression puis dans le compresseur à haute pression, le reste de cet air passant dans un conduit gui le dirige soit dans un dispositif hypersustentateur, 20 soit dans une deuxième tuyère de propulsion avant. Un inconvénient du moteur qui vient d'être décrit consiste en ce que, lorsque l'avion effectue son approche du terrainj la poussée avant requise doit être minimale, tandis que le supplément de portance fourni par le dispositif hypersustentateur doit 25 être maximal, et ces deux conditions sont incompatibles, avec le moteur décrit. L'un des objets de la présente invention est la réalisation d'unmoteur à turbine à gaz dans lequel cet inconvénient est évité. Selon l'invention, le moteur à turbine à gaz qui en fait l'objet, 30 destiné à équiper un avion muni d'un dispositif hyperaustentateur aérodynamique, et comprenant un premier et un deuxième compresseurs montés en série, un ventilateur aocouplé au premier compresseur, et un dispositif de soutirage de l'air sortant du premier compresseur et dirigeant cet air vers le dispositif hy-35 persustentateur, est caractérisé en ce que le deuxième compresseur est mis en rotation par une turbine à haute pression, le ventilateur et le premier compresseur étant mis en rotation en commun par une turbine à basse pression par l'intermédiaire d'un deuxième arbre; le ventilateur est à pas variable, et il est pré-41) vu tui dispositif qui exerce une régulation sur les vitesses de 71 17477 2090085 cbs deux arbres, lorsque le pas du ventilateur est diminué. Ce ventilateur peut être avant ou arrière. Selon un mode de réalisation de l'invention, le soutirage d'air destiné aux dispositifs hypersustentateurs n'est utilisé 5 que lorsque l'avion effectue son approche du terrain. Au décol-• lage, le pas du ventilateur est réglé pour qu'il fournisse sa poussée maximale, et tout l'air comprimé par le premier compresseur passe dans le deuxième compresseur. Mais, selon un autre mode de réalisation de l'invention, le 10 premier compresseur est calculé pour qu'il comprime un excès d'air, en supplément du débit d'air nécessaire pour le deuxième compresseur, et un soutirage est effectué constamment à l'aval du compresseur, à moyenne pression. Par conséquent, l'une des caractéristiques du moteur à tur-15 bine à gaz $ui fait l'objet de l'invention, qui est destiné à équiper un avion muni d'un ou de plusieurs dispositifs hypersustentateurs aérodynamiques, et qui comprend un ventilateur avant, Un -compresseur à moyenne pression et un compresseur à haute pression montés en série, le compresseur à moyenne pression étant 20 ealculé pour comprimer un excès d'air, en plus de celui nécessaire pour le compresseur à haute pression, et un conduit par lequel cet excès d'air peut être envoyé dans le ou les dispositifs hypersustentateurs consiste en ce que le ventilateur et le compresseur à moyenne pression sont mis en rotation en commun par une 25 turbine à basse pression par l'intermédiaire d'un premier arbre, le compresseur à haute pression est mis en rotation par une turbine à haute pression par l'intermédiaire d'un deuxième arbre, le ventilateur est à pas variable, et en ce qu'un régulateur est prévu pour limiter la vitesse maximale du premier arbre lorsque 30 le" pas du ventilateur est diminué, cette limitation s'effectuant par un réglage du combustible fourni au moteur. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le conduit dans lequel passe ledit excès d'air comprend un passage secondaire qui se termine par une tuyère de propulsion dirigée 35 vers l'arrière, et il est prévu des valves qui dirigent sélectivement l'air vers le ou les dispositifs hypersustentateurs et vers ladite tuyère de propulsion." L'emploi d'un moteur conforme à l'invention permet, en particulier lorsque l'avion effectue son approché du terrain, de ré-40 duire la poussée propulsive fournie par le moteur tout en mainte- 71 17477 3 2090085 liant maximal le débit d'air fourni aux dispositifs hypersustentateurs, ce résultat étant obtenu en réduisant le pas des pales du ventilateur. L'appellation "ventilateur à pas variable" telle qu'elle est 5 utilisée dans le présent exposé doit s'entendre comme désignant un ventilateur dont on peut faire pivoter les pales autour de leur axe longitudinal pour en faire varier l'angle d'attaque. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, les dispositifs hypersustentateurs utilisés sont constitués par des vo-10 lets prévus dans les ailes de l'avion, et sur ou dans lesquels circule l'excès d'air précité, afin d'augmenter la portance des ailes de l'avion. Le ventilateur peut- soit être accouplé directement à l'arbre du premier compresseur, soit être accouplé à celui-ci par l'in-15 termédiaire d'un réducteur de vitesse. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui va suivre, description faite à titre purement explicatif et nullement limitatif, et avec référence aux dessins annexés, dans lesquels ï 20 la figure 1 représente un avion dans lequel est appliqué la présente invention ; la figure 2 montre à plus grande échelle l'un des moteurs de l'avion selon la figure 1; la figure .3 est un graphique qui traduit la relation exis-25 tant entre la .poussée et .les vitesses des arbres, pour divers réglages du pas du ventilateur; la figure 4 est un schéma montrant -le dispositif de commande qui exerce une régulation sur les vitesses des arbres; et la figure 5 représente un autre mode de réalisation du mo-30 teur conforme à l'invention, dans lequel est prévu un réducteur de vitesse. La figure 1 représente un avion 1 sous les ailes 3 duquel sont montés quatre moteurs 2 rattachés aux ailes par des jambages 4. Chacune des ailes de l'avion porte des volets hyperaustenta-35 teurs 5, et un conduit 6 courant dans les ailes à proximité de ces volets projette de l'air comprimé au-dessus d'eux, par des fentes d'éjection non représentées placées sur leur côté arrière. Les conduits 6 sont alimentés en air provenant de chacun des moteurs par l'intermédiaire de conduits 7 (figure 20. prévus dans 40 les jambages 4. 71 17477 4 2090085 La figure 2 représente en coupe axiale l'un des moteurs 2 la moitié supérieure du moteur étant seule dessinée. Ce moteur comprend un ventilateur avant 10 tournant dans un conduit 11 qui se termine à l'aval du ventilateur par une tuyère 5 de propulsion 12. Une partie de l'air comprimé par ce ventilateur s'écoule vers l'arrière, radialement et vers l'intérieur dudit conduit, pour alimenter tin compresseur à moyenne pression 14. Ce compresseur est prévu suffisamment puissant pour qu'il puisse comprimer un excès d'air, en supplément du débit d'air nécessaire 10 pour un compresseur à haute pression 16 situé à l'aval de celui-ci, de sorte qu'une partie seulement de l'air sortant du compresseur 14 circule vers l'arrière pour pénétrer dans le compresseur 16, puis dans la chambre de combustion 18 du moteur. Les gaz de combustion chauds sortant de cette chambre circulé lent vers l'arrière dans une turbine à haute pression 20 qui met en rotation le compresseur 16 par l'intermédiaire d'un arbre haute pression 22, puis dans une turbine à basse pression 23 qui, par l'intermédiaire d'un arbre basse pression 24, met en rotation à la fois le compresseur 14 et le ventilateur 10. Les gaz 20 chauds sortant de la turbine 23 sont finalement éjectés dans l'atmosphère par une tuyère de propulsion 25. Les arbres haute pression et basse pression tournent respectivement dans des roulements 26, 27 et 28 et 29. L'excès d'air comprimé fourni par le compresseur 14 passe 25 dans le conduit 7 êle l'un des jambages 4, ce conduit se divisant en deux branches, l'une en direction du conduit 6 qui fournit de l'air aux volets 5 de l'avion, l'autre débouchant dans une tuyère de propulsion 32. Des valves 33 et 34 prévues dans le conduit 7 permettent de fermer sélectivement l'une ou l'autre de ces deux 30 branches, en laissant l'autre ouverte. La commande des mouvements de ces valves est sous le contrôle direct du pilote, au moyen d'un levier prévu à cet effet dans l'habitacle de l'avion. Le ventilateur 10 est muni d'un mécanisme 36 permettant de 35 faire varier le pas de ses pales lequel, pouvant être de tout type approprié et bien connu, ne sera pas décrit en détail. Ce mécanisme 36 est placé sous le contrôle d'une manette à la disposition du pilote, soit directement soit par l'intermédiaire du système 41 de réglage du combustible, fourni au moteur, le 40 pilote pouvant, dans ce dernier cas, choisir à son gré la vitesse 71 17477 5 2090085 de rotation de l'arbre haute pression, ledit système d'alimentation en combustible réglant automatiquement et comme il convient le pas des pales du ventilateur, d'après cette vitesse choisie. Les rapports du partage de la poussée entre la tuyère de pro-5 pulsion du ventilateur, l'air de soutirage, et l'alimentation de la buse de propulsion à gaz chauds peuvent être de l'ordre de 40 % pour la tuyère du ventilateur, 40 °/c pour le soutirage et 20 % pour la tuyère à gaz chauds. Un tel moteur a,en marche normale, une faible vitesse d'é-10 jection des gaz chauds, et un fonctionnement relativement peu bruyant. Au décollage, le pilote met le ventilateur à son grand pas, ouvre la valve 33 ferme la valve 34, ce qui a pour effet d'envoyer un soutirage d'air de 40 % dans les dispositifs hypersustentateurs et de permettre un décollage court. L'air éjecté 15 par les volets fournit une certaine poussée avant qui s'ajoute aux poussées fournies par la tuyère du ventilateur et par la tuyère à gaz chauds. Après que l'avion a pris de l'altitude, le pilote ferme la valve 33 et ouvre la vfilve 34. Cette position des valves corres-20 pond à l'allure de croisière pour laquelle la poussée est fournie par la tuyère 32. Lorsqu'il effectue une approche de terrain, le pilote ouvre à nouveau la valve 33 et ferme la valve 34-, mais il met alors le ventilateur à un pas plus petit. 25 II en résulte qu'une partie applicable de la charge de la turbine à basse pression 23 est supprimée, et que celle-ci a tendance à s'emballer. Le compresseur à basse pression qui est aussi mis en rotation par la turbine basse pression, s'emballe aussi, et le système de régulation du moteur (voir figure 3) agit de 30 façon à diminuer la quantité de combustible fournie au moteur et à réduire la vitesse de rotation de celui-ci, ce qui ramène la vitesse de la turbine basse pression à sa valeur normale. Ceci a pour effet de faire réduire, par le régulateur du moteur, la vitesse de rotation de l'arbre haute pression et, par conséquent, 35 de réduire la poussée fournie par les gaz chauds éjectés par la tuyère de propulsion.25» Par conséquent, la poussée fournie par le ventilateur et celle fournie par les gaz chauds sont réduites toutes deux dans une proportion qui est fonction du degré de réduction du pas du '40 ventilateur, tandis que le compresseur à moyenne pression continue 71 17477 6 2090085 de tourner à sa vitesse maximale pour alimenter en air comprimé les volets. Evidemment, il se produit à la sortie du compresseur à moyenne pression une certaine clrube de pression due à la perte de poussée du ventilateur qui surcharge le compresseur à moyenne 5 pression. Cette perte de pousséé est compensée en partie par le fait que le conduit 7 reçoit une proportion plus forte de l'air sortant du compresseur à moyenne pression, puisque le compresseur à haute pression tourne plus lentement. Un mécanisme simple, fournissant une perte de charge varia-10 ble, tel qu'un papillon par exemple, peut être prévu dans ce conduit pour proportionner l'excès de débit du compresseur à moyenne pression au débit requis par les dispositifs hypersustentateurs, dans lea conditions qui viennent d'être décrites. La figure 4 représente schématiquement un mode de réalisa-15 tion d'un système régulateur pour le moteur qui vient d'être décrit, et le graphique de la figure 3 montre la relation qui existe entre les vitesses des arbres correspondant à des poussées différentes, et le réglage du pas du ventilateur. Sur le graphique de la figure 3, la vitesse du ventilateur 20 Vf est portée én ordonnées, et la vitesse du compresseur, à basse pression "VHP est portée enàbsçisses. Les limites maximale et minimale du pas du ventilateur sont indiquées, et les verticales en traits pointilléa correspondent à différentes valeurs de la poussée totale fournie par le moteur, cette poussée augmentant 25 vers la droite, c'est-à-dire dans le sens de croissance des abscisses. La droite AA indique le réglage du pas nécessaire pour obtenir une poussée donnée à la vitesse maximale donnée, c'est-à-dire à un point X donné, sans augmentation de la sustentation. 30 Dans un moteur à ventilateur à pas fixe, pour réduire la poussée à sa valeur requise pour une approche de terrain, par exemple à sa valeur Yï, les paramètres opératoires du moteur sont contraints de varier suivant la droite de pas constant AA, de sorte que la vitesse du ventilateur et celle de l'arbre haute pres-35 sion décroissent, et que la quantité d'air de soutirage disponible pour les dispositifs hypersustentateurs diminue aussi. Mais, dans le moteur conforme à l'invention,.dont le ventilateur est à pas variable, les paramètres du moteur peuvent se déplacer suivant la droite d'ordonnée constante représentant le maximum de 40 YF, jusqu'à ce que soit atteinte la condition de poussée Yï, ou 71 17477 7 2090085 bien jusqu'à ce que la limite de petit pas soit atteinte, après quoi la vitesse du moteur décroît en suivant la droite de limite du petit pas. Le moteur peut être réalisé de façon que cette limite de pe-5 tit pas et la poussée d'approche du terrain s *intersectent au point Z, sur la limite maximale de VS. On voit donc que, dans le moteur conforme à l'invention, une augmentation de la vitesse du ventilateur et, par suite, de celle du compressaur à moyenne pression égale à'A VF s'effectue 1 0 avec un pas constant dû ventilateur, le débit soutiré étant maintenu à sa valeur correspondant à la poussée réduite requise. La figure 4- représente un système de commande qui permet d'obtenir les conditions désirées pour divers pas du ventilateur, ce système comprenant une tringlerie de liaison entre une manette 15 de réglage 150 actionné par le pilote et un dispositif de commande 151 qui agit sur le mécanisme de changement de pas du ventilateur. Un régulateur 152 de la vitesse du ventilateur perçoit les variations de cette vitesse, et envoie un signal correspondant dans un dispositif 153 qui agit sur le système d'alimenta-20 tion en combustible du moteur. Le dispositif 151 comporte une butée de limite inférieure du pas, et le régulateur limite la vitesse maximale du ventilateur. Ce ventilateur est étudié pour tourner à sa vitesse maximale pendant le décollage et la marche normale à allure de croisière, 25 de sorte que lorsque ses pales sont mises au petit pas il tend à s'emballer, mais le régulateur l'en empêche en diminuant la quantité de combustible fournie au moteur. Des résultats similaires peuvent être obtenus dans un système commandé par une manette à la disposition du pilote et qui en-30 voie un signal directement à un régulateur de vitesse de l'arbre haute pression lequel agit sur le système d'alimentation en combustible de façon à réduire la vitesse du moteur. La vitesse du ventilateur peut être détectée, et un signal correspondant envoyé dans le mécanisme de changement de pas en vue de faire varier 35 ce pas pour maintenir constant la vitesse du ventilateur. Un tel système peut fonctionner par tout-ou-rien, entre deux seules conditions extrêmes pour lesquelles deux pas seulement des pales du ventilateur sont respectivement utilisés pour le soufflage des volets et pour la marche de croisière, ou bien ce 40 système peut être agencé de façon à permettre une variation con 71 17477 8 2090085 tinue du pas du ventilateur entre sa valeur de croisière et sa valeur limite inférieure. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le soutirage d'air peut n'être utilisé que lorsque l'avion effectue une 5 approche de terrain en vue d'un atterrissage. Dans ce cas, la tuyère de propulsion 32 peut être supprimée, ainsi que le soufflage des volets au décollage. Ceci conduit à un moteur d'une structure plus simple. Le soutirage d'air peut atteindre 20 % du débit normal du compres-10 seur à moyenne pression, et le pas du ventilateur est modifié comme il convient de façon à maintenir ce compresseur aux environs des conditions de marche optimales pour lesquelles il a été étudié (ceci dans le but d'éviter toute surpression et tout flottement des pales dans le ventilateur. 15 Dans ce cas, la poussée du moteur peut être réduite et la sustentation augmentée lorsque l'avion effectue son approche du terrain à la façon qui a étë décrite pour le mode de réalisation précédent, mais, au décollage, le ventilateur est mis sur son grand pas pour qu'il donne sa poussée maximale, tout l'air compri-20 mé par le compresseur à moyenne pression passant dans le compresseur à haute pression en vue d'obtenir le maximum de poussée des gaz chauds. Une certaine quantité d'air de soutirage peut être utilisée au décollage pour augmenter la sustentation, mais il est très probable que la meilleure utilisation de l'air disponible au 25 décollage consiste à supprimer tout soutirage de cet air. La figure 5 représente un autre mode de réalisation du motetr conforme à 1'invention,dans lequel un ventilateur 100 et un compresseur à moyenne pression 101 sont montés sur un arbre moyenne pression 102 mis en rotation par une turbine 105. Un générateur 30 comprenant comme d'habitude un compresseur à haute pression 105, une chambre de combustion 106 et une turbine à haute pression 107 fournit des gaz chauds qui actionnent la turbine 103. Le ventilateur, qui est accouplé au compresseur à moyenne pression par l'intermédiaire d'un réducteur de vitesse 110, est à 35 pas variable, son mécanisme de variation du pas étant schématique-ment représenté en 112. Une partie de l'air comprimé par le ventilateur s'échappe par une tuyère 115, tandis que l*autre partie de cet air passe dans un conduit annulaire 116, en direction du compresseur 101 à -40 moyenne pression. 71 17477 9 2090085 Ce compresseur 101 est étudié pour pouvoir comprimer une quantité d'air considérablement plus grande que celle nécessaire pour l'alimentation du compresseur 105 du générateur de gaz, et l'excès d'air qu'il fournit est constamment évacué par un conduit 5 de soutirage 120 qui communique avec divers conduits 121, 122 et 123 Par l'intermédiaire d'une chambre à valves 125. Le fonctionnement de ce moteur est analogue à celui du moteur de la figure 2. Au décollage et à l'approche du terrain, les valves de la chambre 125 sont ouvertes de façon que l'air arrivait 10 par le conduit 120 passe dans le conduit 121 pour parvenir dans l'aile 3 de l'avion. Cet air s'échappe ensuite par des fentes d'éjection 128 prévues sur le bord de fuite de l'aile, et il passe entre un volet supérieur 129 et un volet inférieur 130, ce qui augmente la portance de l'aile. 15 En vol de croisière normal, l'air passe, du fait de l'ouver ture d'autres valves de la chambre 125, dans une tuyère de propulsion 134 située à l'extrémité d'un conduit 122 et, après la prise de contact avec le sol, une autre valve peut être utilisée pour envoyer cet air dans un conduit 123 qui le projette vers 20 l'avant, ce qui donne naissance à une poussée inverse de fieinage. Le système de commande de ce moteur peut être semblable à celui décrit en se référant aux figures 2, 3 et 4. L'invention permet de réaliser une large gamme de moteurs de puissances différentes, offrant un large choix de conditions 25 opératoires. Bien que la répartition préférée de l'air de poussée qui s'échappe du ventilateur, de l'air de soutirage, et des gaz chauds éjectés soit de l'ordre de 40 % pour l'air éjecté par le ventilateur, 40 % pour l'air de soutirage et 20 % pour les gaz chauds de poussée, il est possible de faire varier cette ré-3D partition entre de larges limites. Par exemple, dans un avion dont on désire seulement augmenter la portance au cours des approches de terrain, le compresseur à moyenne pression n'est pas prévu surpuissant, et l'hyper-sustentation est fournie seulement par un soutirage de 20 % de 35 l'air comprimé par ce compresseur, cet air soutiré étant envoyé, comme précédemment décrit, dans les dispositifs hypersustentateurs de l'avion lorsque le ventilateur est mis à son petit pas. Lorsque de forts soutirages d'air sont nécessaires pour obtenir l'hypersustentation requise le moteur peut comporter, comme 40 précédemment décrit, un compresseur surpuissant, et le partage 71 17477 2090085 de la poussée peut être tel que 60 % de cette poussée soit fournie par l'air soutiré. Les modes de réalisation décrits ci-dessus se rapportent tous à des moteurs munis d'un ventilateur avant, mais il doit 5 être bien entendu que ce ventilateur peut aussi être placé à l'arrière du moteur, le principe de son fonctionnement demeurant le même. Dans tous les cas, ce ventilateur peut être accouplé à l'arbre de la turbine basse pression soit directement, soit par l'in-10 terméâiaire d'un réducteur de vitesse afin de diminuer sa vitesse de rotation, et le bruit qu'il émet. Bien entendu, la présenté invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais s'étend à toutes les variantes conformes à son esprit. 71 17477 20-90085 REVENDICATIONS 1. Moteur à turbine à gaz utilisable sur un avion muni de dispositifs hypersustentateurs aérodynamiques, oe moteur comprenant un premier et un deuxième compresseurs montés en série, un 5 ventilateur mis en rotation par le premier compresseur et un dispositif permettant de soutirer une partie du fluide travaillant sortant du compresseur, et envoyé dans les dispositifs hypersustentateurs, caractérisé en ce que le deuxième compresseur est mis en rotation par une turbine à haute pression, par l'intermédiaire 10 d'un premier arbre, le ventilateur et le premier compresseur sont mis en rotation en commun par une turbine à basse pression par l'intermédiaire d'un deuxième arbre, le ventilateur est à pas variable, et en ce qu'il est prévu un dispositif qui exerce une régulation sur les vitesses de ces deux arbres, lorsque le pas du 15 ventilateur est diminué. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier compresseur est étudié de façon à comprimer un excès d'air en supplément de celui nécessaire pour l'alimentation du deuxième compresseur, et en ce que il est prévu des conduits qui 20 dirigent cet excès d'air vers des valves qui peuvent être actionnées sélectivement pour diriger l'air soutiré soit vers les dispositifs hypersustentateurs, soit vers une tuyère de propulsion supplémentaire. 3. Moteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, 25 caractérisé en ce que le ventilateur est placé à l'avant. 4. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux tuyères de propulsion supplémentaires, fournissant l'une une poussée avant, et l'autre une poussée inverse. 5. Moteur selon l'une des revendications précédentes, carac-30 térisé en ce qu'il comporte un réducteur de vitesse entre le premier compresseur et le ventilateur. 6. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que son dispositif de commande comporte des organes sensibles aux variations de vitesse de l'arbre du ventilateur, et 35 qui agissent sur un régulateur qui réduit la quantité de combustible fournie au moteur. 7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que son dispositif de commande comprend une butée de limite inférieure du pas du ventilateur et en ce que lesdits organes sensibles aux variations de vitesse de l'arbre du ventilateur comprennent un régulateur qui limite la vitesse maximale de cet arbre.