Brevet FR2145362A1 — publié le 19730223

La présente invention concerne les tuyères à géométrie variable au moyen de volets commandés par des vérins et s'applique plus particulièrement bien que non exclusivement aux réacteurs destinés aux avions de transport supersonique et dont le canal d'éjection comprend une tuyère primaire convergente débitant dans le divergent d'une tuyère secondaire convergente-divergente avec introduction dans cette dernière d'air dit secondaire en provenance d'un prélèvement des couches limites dans la prise d'air du réacteur; ce prélèvement, indispensable pour le bon fonctionnement de celle-ci et représentant une fraction notable du débit primaire en régime de croisière supersonique, est utilisé au passage pour le refroidissement du compartiment moteur, puis éjecté dans la tuyère secondaire où il participe pour une partie non négligeable à la poussée totale du réacteur. les études faites sur les tuyères en général ont montré que le poids et l'encombrement minima sont obtenus lorsqu'il y a un vérin de commande par volet. Cela s'explique par la facilité de transporter l'énergie sous forme d'une pression pneumatique ou hydraulique dans un tube et de la transformer à pied d'oeuvre par l'intermédiaire d'un vérin. Dans une tuyère secondaire bien conçue, la répartition des pressions internes sur les volets est à peu près homogène, c'est-à-dire que, dans l'un quelconque des plans perpendiculaires à l'axe moteur, la pression est la même sur toute la périphérie, du moins si la tuyère primaire et la tuyère secondaire sont correctement alignées. Par contre, la répartition périphérique de la pression externe est très hétérogène du fait que l'écoulement de l'air autour de l'avion et par conséquent autour de la tuyère secondaire est perturbé par la présence de l'aile, par la forme de ltentrée d'air dans la nacelle et par la juxtaposition de deux moteurs dans la même nacelle. Lthétérogénéité de pression sur les volets engendre des efforts différents sur chacun d'eux en fonction de leur position angulaire sur la périphérie. Si leur déplacement n'est pas synchronisé, les volets prendront une position d'équilibre telle que angle d'inclinaison d'un volet par rapport au volet adjacent sera différent. La présente invention vise à remédier à ce défaut et à obtenir un bon fonctionnement en contraignant tous les volets à prendre une même position. Pour cela, un effort supplémentaire dit de synchronisation appliqué à l'un des volets le ramène à la meme position angulaire que celle du tolet adjacent. Plus précisément, la présente invention a pour objet un mécanisme de synchronisation agencé pour réaliser un transfert d'effort, en prenant une partie de l'effort là où la pression externe est minimum et en l'amenant là où la pression externe est maximum. En effet, puisque la pression interne est uniformément répartie, il y a, à partir du moment où la tuyère est synchronisée, un surplus d'effort qui tend à ouvrir la tuyère là où la pression externe est minimum et un surplus d'effort qui tend à la fermer là où la pression externe est maximum. Ces deux surplus d'effort de signe opposé, l'un qui tend à ouvrir la tuyère, l'autre qui tend à la fermer, ont une résultante nulle, mais donnent lieu à des forces internes dans la channe de synchronisation. le mécanisme de synchronisation conforme à la présente invention permet de maintenir la section d'éjection, bien que variable, constamment circulaire et concentrique et de contraindre tous les volets à la même position angulaire. I1 présente l'avantage d'entre compatible avec les divers desiderata techniquels - faible volume disponible pour le loger, - grand rapport de la longueur du volet à son bras de levier de commande, - possibilités d'intégration à l'ossature du volet, - facilité de montage et de maintenance. A cet effet, le mécanisme de synchronisation de la présente invention met en oeuvre un système à coulisseaux et glis sidères. le coulisseau étant solidaire d'un volet et la glissière du volet adjacent. lors d'une variation de section de la tuyère, le coulisseau se déplace dans la glissière et assure une position correcte des deux volets en cause. Ces pièces forment une succession de maillons autour de 1* tuyère , l'ensemble constituant une channe de synchronisation disposée dans un plan transversal de la tuyère situé entre la section droite passant par les axes d'articulation des volets et celle qui contient leur bord de fuite. I1 y a lieu de noter que jusqu'ici on s'est fié à la butée de fin de course du piston des vérins de commande contre les fonds de leur cylindre pour la fixation des ouvertures minimum et maximum des volets de tuyères, sans se préoccuper des jeux existant dans les liaison cinématiques entre les vérins et les volets et au surplus variant d'un volet à un autre. Or dans le cas de tuyères secondaires de grandes dimensions --cas pour lequel l'invention reçoit une application particulièrement intéressante-il convient de choisir des volets de tuyère longs et minces afin que la tratnée de culot soit réduite lorsque la tuyère est en position fermée, de même que le débattement angulaire des volets pour une variation de section donnée, et afin aussi que le diamètre hors-tout n'excède pas trop celui de la sortie du divergent. En d'autres termes, comme illustré sur la figure 1 les volets 1 auront une longueur L relativement grande mesurée entre l'axe d'articulation 2 du volet et son bord de fuite 3 et au contraire un bras de levier 1 relativement petit mesuré entre cet axe d'articulation 2 et-le point 4 d'attelage de la tige 5 du vérin de commande 6, d'où un rapport L - élevé (par exemple de l'ordre de 20), si bien que méme un faible jeu cinématique (d'un demi-millimètre par exemple) se traduit par un déplacement fortuit important (de l'ordre du centimètre) du bord de fuite 3 du volet et par conséquent une variation non contrtlée de la section d'éjection de la tuyère (qui peut atteindra plusieurs centaines de centimètres carrés).Il en résulte, non seulement une sollicitation anormale pour la synchronisation, mais encore une chute de rendement de l'appareil propulsif du fait de la dispersion des valeurs de section minimum et maximum. On ne peut donc s'en remettre pour leur détermination à la butée de fin de course des vérins,vu la forte amplification au bord de fuite des volets des déports dus aux défauts géométriques de ces vérins et des tringleries de commande. Selon une particularité technique de la présente invention, le mécanisme de synchronisation remplit lui-m8me, outre sa fonction de base qui est la synchronisation des volets, la fonction complémentaire de butée pour la fixation des sections d'éjection minimum et maximum de la tuyère, par l'entremise des pièces constitutives du mécanisme, à savoir le coulisseau et la glissière. Une butée rapportée sur chacune de ces deux pièces, limite dans les deux sens le déplacement relatif du coulisseau et de la glissière et supporte la résultante des forces s'appliquant sur chaque volet : forces dirigées vers l'extérieur en butée "tuyère ouverte" et vers l'intérieur en butée "tuyère fermée". La description qui va suivre en regard des dessins anne xés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure i est une vue schématique de la commande d'un volet, dont il a été fait état dans le préambule ci-dessus. La figure 2 est une vue en perspective d'un élément typique du mécanisme de synchronisations cet élément comprenant une glissière. La figure 3 montre en perspective très schématique la coopération d'un tel élément à glissière avec l'élément complémentaire à coulis seau du volet voisin. La figure 4 illustre la déformabilité de l'ossature d'un volet0 La tuyère dont la description suit est composée d'une part d'un certain nombre de volets dits "moteurs" commandés chacun par un vérin et porteurs des éléments de la channe de synchronisation et d'autre part d'un nombre égal de volets dits "asservis' situés entre les précédents et s'appuyant avec superposition partielle sur les bords latéraux des volets moteurs voisins. les volets moteurs sont alternativement porteurs d'un élément à coulisseau ou élément "malte" et d'un élément à glissière ou élément femelle, La succession des volets dans l'ordre tangentiel est donc la suivante : volet moteur à élément de synchronisation male, volet asservi, volet moteur à élément de synchronisation femelle, volet asservi, volet moteur à élément de synchronisation male, etc .. Dans cette succession, les volets moteurs à élément de synchronisation male, comme ceux à élément de synchronisation femelle, se retrouvent tous les quatre volets et les volets asservis, tous les deux volets. Comme montré sur les dessins, le volet moteur présente deux panneaux 7 et 8 fixés sur les deux faces d'une ossature mécanique interne 9 qui est une pièce coulée et forme - quatre attaches 10 des paliers de l'axe d'articulation 2 du volet sur la partie fixe du divergent 11, - deux attaches 12 des paliers de l'axe d'attelage 4 du volet à l'extrémité de la tige 5 du vérin 6 qui le commande, - deux couples de doigts 13 et 14 supports des panneaux 7 et 8, - une barre transversale creuse de torsion 15, - deux poutres 16 à section en I, - un élément de synchronisation soit male 17, soit femelle 18 (respectivement sur des volets moteurs voisins tels que lA et 13). La barre creuse de torsion 15 porte de façon rigide les organes 10, 12, 13 et 14 et de façon élastique l'élément de syn ohr-onisation 17 ou 18 par les deux poutres déformables 16. Chacun des panneaux 7 et 8 est fixé uniquement en deux points (23, 24 respectivement) à l'élément transversal 17 ou 18 (voir figures 2 et 4) ; les extrémités amont et aval peuvent glisser parallèlement à elles-mêmes dans une certaine mesure (voir figure 4). L'élément de synchronisation male 17 est une barre creuse, transversale au volet lA, légèrement cintrée, à section variable à double tme. Chacune de ses deux extrémités est aménagée pour le montage du corps d'un coulisseau 19 et est fermée par une butée extérieure 20 (non visible). L'élément de synchronisation femelle 18 est également une barre creuse, transversale au volet 13, légèrement cintrée, à section à deux ames. Chacune des deux extrémités de la partie avant limitée par l'attache de l'Eme des poutres 16, forme les deux chemins d'une glissière 21 terminée par une butée 22 faisant office de butée intérieure et extérieure. Ces éléments malte 17 ou femelle 18, portent en outre, sur la face inférieure, deux perçages 23 dans le plan de l'axe des tettes de coulisseaux ou des glissières et, sur la face supérieure, décalés en arrière par rapport aux précédents, dcux perçages 24 pour la fixation des panneaux respectivement 7 et 8. L'emplacement transversal relatif des éléments de stabilisation mAle et femelle sur lea volets est tel que, lorsque ces derniers sont montés sur leur axe d'articulation 2 enfilé dans les attaches 10, les textes des coulisseaux 19 se trouvent dans les glissières 21 et puissent venir en contact à l'intérieur des butées 22 (tuyère ouverte). Pareillement, les butées 20 peuvent venir en contact à l'extérieur des butées 22 (tuyère fermée). Les deux panneaux trapézoMdaux 7 et 8; en matériau sand winch, constituent les faces intérieure et extérieure des volets moteurs. Ils laissent dépasser latéralement les extrémités des éléments de stabilisation 17 et 18 et ils sont prolonges en arrière, bien au-dela de ces éléments. le panneau intérieur 8, en contact avec le jet chaud d'éjection du réacteur, est en acier, tandis que le panneau extérieur 7. en contact avec l'écoulement de l'air extérieur, est en titane. Chaque volet moteur est ainsi muni, entre ses bords avant et arrière; d'un élément transversal de synchronisation avec butées, relié par les poutres longitudinales 16 à la barre de torsion 15 à laquelle sont également attachés le palier 10 des axes d'articulation 2 et celui 12 de l'attelage 4 au vérin de commande 6 du volet. Comme on l'a vu, ces éléments de synchronisation sont alternativement miles et femelles quand on passe d'un volet au suivant en faisant le tour de la tuyère, chaque élément de synchronisation mile 17 portant un coulisseau 19 à chacune de ses deux extrémités, tandis que chaque élément de synchronisation femelle 18 porte une glissière 21 à chacune de ses deux extrémités. la synchronisation d'ensemble des volets moteurs est ainsi assurée, c'est-à-dire la symétrie axiale de leur position à chaque instant, ce qui garantit des sections de tuyère circulaires et concentriques. De plus, chaque élément de synchronisation femelle porte deux rebords d'extrémités 22 qui ferment les glissières et constituent des butées intérieures limitant la course des coulisseaux 19 dans les glissières 21, ce qui définit la section de la tuyère "ouverte". Ces mimes rebords 22 constituent également des butées extérieures qui viennent en contact avec d'autres butées extérieures 20 portées par les éléments de synchronisation males 17, ce qui définit la section de la tuyère "fermée". Avec un système idéal de volets exempt de défauts géométriques, tous les coulisseaux 19 seraient en contact avec leur butée intérieure respective 2? pour la section maximale de la tuyère et toutes les butées extérieures 20 seraient en contact avec 22 pour la section minimale de celle:'i : ainsi, complètement ouverts ou fermes, les volets devraient se mettre en butée les uns contre les autres, sans tension ailleurs que dans la chaîne de synchronisation. zizis en pratique, il n'en est pas ainsi : les défauts géométriques dans l'ossature du volet et dans la virole support, ainsi que dans le mouvement du coulisseau dans la glissière de synchronisation, font que la chaîne de butées pourrait ne pas être fermée sur elle-mme. te bouclage de la fonction butée se fera alors pour un volet ou plusieurs, non plus au droit de sa butée, mais au niveau de son articulation, ce qui n'est pas souhaitable. Selon la présente invention, on pallie ces défauts par la déformation élastique de ltossature 9 9 du volet dans le plan contenant son axe d'articulation en lui donnant une souplesse transversale (voir figure 4). Cette déformabilité élastique de l'ossature est obtenue du fait que l'élément de synchronisation måle 17 ou femelle 18 est relié à l'arbre de torsion transversal 15 par les poutres 16 dont le profil est déterminé pour qu'elles transmettent les efforts de synchronisation tout en étant suffisamment flexibles pour compenser les irrégularités de positionnement des butées. Dans ce qui précède, on n'a décrit que les volets moteurs soumis à commande individuelle par vérin les volets asservis, non commandés directement par vérin, sont interposés entre les volets moteurs successifs et assurent l'étanchéité latérale tout en permettant le passage des éléments 17, 18 de synchronisation des volets moteurs. Suivant une disposition connue, ces volets asservis peuvent dtre creux et pincer latéralement dans leur épaisseur les volets moteurs qui sont engagés de façon variable dans les précédents seLon les différents réglages de la section de sortie. Ces volets asservis ont avantageusement deux axes d'articulation primaire et secondaire afin que, même au cas où les axes d'articulation primaires de ces volets n'envelopperaient pas la mtme circonférence que les axes d'articulation des volets moteurs, les premiers volets puissent s'appliquer sur les seconds sur toute leur longueur, gracie au degré de liberté supplémentaire donné par les axes d'articulation secondaires. REVENDICATIONS 1. Dispositif propre à assurer la synchronisation des volets commandés par vérins respectifs d'une tuyère de réaction à géométrie variable, en contraignant ces volets à prendre une même position par l'exercice d'un effort supplémentaire sur un ou plusieurs des volets visant à ramener ceux-ci à la m8me position angulaire que les autres volets, dispositif caractérisé par la disposition d'un mécanisme formant chaîne de synchronisation dans un plan transversal de la tuyère situé entre la section droite passant par les axes d'articulation des volets et celle qui contient leurs bords de fuite, les maillons de cette chaîne étant constitués par une succession d'éléments en prise mutuelle à coulisseaux et glissières, le coulisseau étant solidaire d'un volet et la glissière du volet adjacent, de telle sorte que lors d'une variation de section de la tuyère, les coulisseaux se déplacent dans les glissières et assurent une position correcte des volets en cause. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque élément de ladite chaîne comporte à ses extrémités soit deux coulisseaux soit deux glissières et lton rencontre, en parcourant la chaîne, successivement un élément à coulisseaux et un élément à glissières. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit mécanisme est agencé pour renplullui-même, outre sa fonction dé base qui est le synchronisme des volets, une fonction complémentaire de butée pour la fixation des sections d'éjection minimum et maximum de la tuyère, par l'entremise des éléments constitutifs de ladite chaîne, à savoir lesdits coulisseaux et glissières. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel une butée rapportée sur chacun desdits éléments limite dans les deux sens le déplacement relatif du coulisseau et de la glissière et supporte la résultante des forces s'exerçant sur chaque volet, 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la butée rapportée sur ledit élément à glissière est une paroi d'extrémité constituant un fond de ladite glissière contre lequel vient buter ledit élément à oouliaseaux. 6. Dispositif selon l'une des revenaications précédentes, dans lequel chaque volet présente deux panneaux baignés respecti vement par le flux de la tuyère et par l'écoulement d'air externe et fixés de part et d'autre d'une ossature mécanique interne par des organes supports desdits panneaux, une chape d'articulation du volet et des moyens d'attelage de la toute de vérin. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel ladite ossature comprend en outre une barre de torsion à axe sensiblement parallèle à l'axe d'articulation du vérin, reliée à 1Ylé- ment de synchronisation correspondant par une ou plusieurs poutres. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel ladite barre de torsion porte d'une partde façon rigide lesdits organes supports des panneaux, ladite chape d'artieala- tion du volet et lesdits moyens d'attelage du vérin, et dfautre part de façon élastique ledit élément de synchronisation par l'entremise de ladite ou desdites poutres. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel la ou lesdites poutres sont flexibles.