Brevet FR2265996A1 — publié le 19751024

La présente invention concerne les groupes moteurs à turbine à gaz. Dans les moteurs à turbine à gaz à compresseur basse-pression caréné, auxquels l'invention s'applique particulièrement, le compresseur basse-pression produit un flux dérivé annulaire autour du carter du moteur central. Ce flux dérivé stéchappe dans l'atmosphère par une tuyère placée a lFextrémité aval du conduit externe ou dérivé et s'écoule vers l'arrière en passant par dessus la partie aval-du carter central, ci-après dénommé "arrière- train*. Il est évident que, plus l' rière-train devra etre long plus il sera lourd, et plus le frottement- sera grand entre le flux dérivé et l'arrière train plus la traînée résultante sera grande. La longueur de 1' arrière-train est déterminée, pour un rapport donné du diamètre de la tuyère de conduit dérivé au diamètre de la tuyère du carter central, par un compromis entre les données antagonistes exposées ci-après. La surface de llarrière-train dans le plan de sortie de la tuyère doit faire partie dtun cylindre dont l'axe est parallèle à celui du moteur pour éviter la perte de poussée du flux dérivé qui se produirait'si le flux dérivé n1 était pas dirige axiale- ment depuis la tuyère de flux dérivé. Mais le flux dérivé et le flux de gaz chauds sortant de la tuyère du carter central ne doivent pas sortir du moteur sous forme de flux séparés, ce qui produirait une traînée de base. L'arrière-train doit donc être conformé de façon à dévier le flux dérivé vers ltintérieur-de- puis son plus grand diamètre pour rencontrer le flux de gaz chauds sortant de la tuyère du carter central. Dans un motéur de-type courant, ce résultat est obtenu en incurvant l' r rière-train en aval du plan de sortie de la tuyè- re de flux dérivé dans le sens axial de façon à lui donner la forme d'un tronc de cone ou d'ure ogive dont le diamètre maximal est situé dans le plan de sortie de la tuyère de flux dérivé. Mais il y a des limitations au rayon de courbure de la surface de l'arrière-train car si le flux est dévié trop brusquement il peut en résulter une expansion trop rapide du flux dérivé en aval de sa propre tuyère et une séparation prématurée du flux de la surface de l'arrière-train provoquant une traînée de séparation. De plus, lorsque la tuyère de flux dérivé est bloquée et que le flux dérivé est supersonique en aval de celleci, une expansion trop rapide du flux produit une traînée d'onde supplémentaire du système d'ondes de choc dans le flux dérivé. Cependant, si le rayon de courbure est maintenu à une va leur élevée, la longueur de r arrière-train augmente et le poids ainsi que la traînée de frottement laminaire augmentent comme on l'a expliqué l-dessus. Lè-compromis maintenant admis dans les moteurs de type courant est que l'angle inclus du cône défini par la surface de l'arrière-train ne doit pas dépasser- 220 environ. Les tentatives de résolution de ce problème sont principalement axées sur la modification de la forme de l'arrière-train en aval du plan de sortie de la tuyère de flux dérivé mais la forme obtenue est touåours un compromis entre les facteurs antagonistes ci-dessus selon que l'on considère la réduction du poids ou celle de la traînée comme la plus important pour une installation donnée. La présente invention a principalement pour objet de réaliser un groupe propulseur pour aéronef dont l'arrière-train ou cône arrière est plus court que dans les moteurs de type plus ancien sans qu'il en résulte l'augmentation de traînée inséparable jusqu' ici d'une telle conformation. Ce but est atteint, conformément à l'invention, au moyen d'un moteur à turbine à gaz possédant une tuyère annulaire dont chaque paroi, au plan de sortie de la tuyère, est dirigée vers l'axe longitudinal de la tuyère en direction aval sous un angle inclus compris entre 300 et 50D, le flux franchissant la tuyère étant dévié vers ledit axe de tuyère à l'intérieur de celle-ci et sortant de la tuyère sous forme d'un flux dirigé vers ledit axe de tuyère sous un angle compris entre 130 et 250 sur ledit axe. L'expérience a révélé qu'en déviant le flux vers l'axe à l'intérieur de la tuyère on réduisait les pertes dans le flux en aval de la tuyère de flux dérivé d'un moteur à turbine à gaz à compresseur basse-pression caréné, et que l'arrière-train pouvait être sensiblement raccourci sans augmenter les traînées de séparation et d'onde précitées. Par conséquent, dans un mode préféré de réalisation de l'invention, le moteur est un moteur à turbine à gaz à flux dérivé (ou à compresseur basse-pression caréné) comportant un moteur central, un conduit externe de flux dérivé entourant ce dernier et formant une tuyère annulaire de circuit dérivé avec l'arrière train du moteur central, les parois du conduit et de l'arrière-train au plan de sortie de la tuyère de circuit dérivé étant dirigées vers lraxe du moteur sous un angle inclus compris entre 300 et 50 sur ledit axe. L'expérience a également révélé que lorsqu'un moteur à circuit dérivé selon l'invention est monté sous l'aile d'un aé ronef, il réduit sensiblement les effets nuisibles dus à la proximité du moteur de l'intrados. L'invention est décrite ci-après en se référant à quelques exemples préférés, non liwitatifs, de réalisation représentés sur les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à turbine à gaz équipé d'une tuyère selon l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle d'un second mode de réalisation de l'invention - la figure 3 est une vue partielle dtun troisième mode de réalisation de l'invention - la figure 4 est une vue schématique d'un moteur à turbine à gaz selon l'invention monté sur une aile dtaéronef ; et - la figure 5 est un graphique de distribution de pression. Dans la présente description, les expressions *amont" et navals se réfèrent au sens drécoulesent des gaz dans le moteur. Le moteur à turbine à gaz 10 de la figure 1 comprend un moteur central ou générateur de gaz 12, un étage d'aubes de compresseur basse-pression 14 à l'extrémlté avant, et un carénage 16 entourant les aubes du compresseur et s'étendant vers ltaval jusqu'à un point adjacent à la tuyère 18 du générateur de gaz mais en amont d'elle. Le carénage 16 forme, avec le car ter 20 du générateur de gaz 12, un conduit externe 22 pour le flux dérivé se terminant par une tuyère de flux dérivé 24 définie par les parois 17 et 21. La partie du carénage et du carter formant ensemble l'ex trématé aval du conduit annulaire dérivé 22, et la structure interne du générateur de gaz à son extrémité aval, convergent toutes intérieurement dans le sens aval vèrs l'axe longitudinal du moteur sous des angles inclus a1 et a2 de 300 de sorte quta- vant de sortir du conduit 22 et du canal d'éjection 26, respectivement, l'air du conduit dérivé et les gaz d'échappement sont également déviés intérieurement vers l'axe longitudiLal du moteur de sorte que les deux flux gardent leurs directions convergentes lorsqu'ils s'échappent dans l'atmosphère par lestuyères de sortie 24 et 18. Comme le flux dérivé est maintenu dirigé vers le flux de gaz chauds à l'intérieur dù conduit dérivé, l'arribre-train peut être parfaitement conique en aval du plan de sortie de la tuyère de circuit dérivé, c'est-à-dire avoir une surface rectiligne sur toute sa longueur, évitant ainsi des expansions rapides sur la surtaxe de l'arrière-train dues à la courbure en sens aval ainsi que des augmentations des traînées d'onde et de séparation. En outre, la-convergence des flux vers l'axe du moteur modère ltexpension rapide des flux. L'expérience a révélé d'autres avantages découlant de son application à un moteur à circuit dérivé comme celui de la figure 1. C'est ainsi que la surface externe du carénage 16 s 'incur- ve vers l'aval pour diminuer la traînée due à l'épaisseur de ce carénage. Il en résulte que le courant d'air libre autour du carénage est ramené quelque peu vers l'axe du peloteur du fait qu'il suit la courbure de ce carénage. Dans un moteur de type habituel, dans lequel le flux dérivé est essentiellement expulsé axialement depuis la tuyère de conduit-dérivé, ce flux dérivé contrecarre la tendance normale du courant d'air libre à pour suivre vers l'axe du moteur lorsqu'il quitte la surface du carrénage au plan de sortie de la tuyère de conduit dérivé.Le flux dérivé tend à détacher le courant d'air libre de la surface externe du carénage à son extrémité aval et produit sur ce dernier une traînée de séparation. Mais avec le moteur selon la présente invention leflux dérivé est dirigé vers l'axe de la tuyère et ntentraîne pratiquement aucune interférence avec le courant d'air libre. Des conditions semblables règnent au voisinage de la tuyère du générateur de gaz 18 et des avantages identiques y découlent de l'application de l'invention car i'air chassé du conduit 22 chemine parallèlement aux gaz chauds chassés de la tuyère 18 lorsqu'elle est convenablement disposée comme il est décrit ici, et que par conséquent les gaz chauds quittant la tuyère 18 ne détachent pas l'air du flux dérivé de la' surface externe du carter générateur de gaz. L'invention procure un autre avantage lorsque le flux sortant de la tuyère de conduit dérivé est supersonique. Dans un moteur de type classique, le flux franchit I 'arrière-train alors que sa vitesse d'écoulement est supersonique. Les pertes de pression dans le flux dues à la déviation sont donc plus grandes que dans le moteur selon l'invention où la déviation du flux se produit à I' intérieur de la tuyère, donc avant que la sitesse d'écoulement du flux devienne supersonique. L'application de l'invention à un moteur à circuit dérivé entraîne donc une réduction de la longueur de l'arrière-train et par conséquent du poids du moteur, ainsi qutune augmentation du rendement du fait de la réduction des pertes internes des flux par frottement sur les faces interne et externe de l'ar- rière-train écourté et du fait de la diminution de la traînée dans le moteur considéré dans son ensemble. La perte de poussée due à la sortie non axiale, hors de la tuyère, du flux dérivé est en fait totalement récupérée sous forse d'une force de pression à l'arrière-train. Les figures 2 et 3 montrent d'autres-modes de réalisation de l'invention ; sur ces figures, les pièces correspondant à des pièces de la figure 1 portent les memes numéros. La figure 1 est une variante d'application à un moteur à flux dérivé tandis que la figure 2 montre l'application de ltinventlon à un turboréacteur simple. Dans les deux cas, le moteur comporte un élément biconique de sortie 30 donnant, en association avec le carter du générateur de gaz, une forme annulaire au flux à l'endroit de la tuyère. Les' angles a3, a4, a5, a6 et a7 sont du meme ordre de grandeur que les angles 1 et a2. Des essais sur maquettes ont été faits avec des moteurs dans lesquels les tuyères du conduit dérivé et du générateur de gaz convergeaient sous des angles inclus de 300 et de 400 et ont permis de constater les avantages précités. Bien que la limite supérieure de 404 donnât tous ces avantages, on a pensé que si les angles s'ouvraient beaucoup au-delà de 400 le risque d'un décollement spontané du courant d'air libre 28-du carénage 16 croîtrait de façon accélérée du fait du changement d'orien tation trop brusque de ce carénage å son extrémité aval. Des essais en vol ont été également effectués avec un moteur réel équipé selon l'invention et l'on a obtenu des avant tages supplémentaires lorsque le moteur était monté en dessous et partiellément en avant de l'aile de l'aéronef, de la façon connue représentée sur la figure 4. Lorsque le flux dérivé est chassé axialement sous l'aile l'expansion du jet entraîne une réduction locale de la zone d'écoulement du courant dlair libre-en dessous de l'aile. Cette réduction produit une accélération de ce courant d'air libre et une diminution de sa pression.- Cette diminution de pression per met la continuation de l'expansion du courant flair provenant du conduit dérivé et le processus peut se poursuivre jusqu'à ce que le courant d'air libre devienne localement supersonique. La vitesse plus élevée du courant d'air libre entraîne la diminution de la portance de l'aile, et des ondes de choc dans le courant localement supersonique contrecarrent également le rendevent de celle-ci. Âvec un moteur selon présente invention, le fait que le flux dérivé est dirigé vers l'axe du moteur a pour conséquence que, m2me lorsque le flux se détend, il existe un passage loca liement divergent en dessous de l'aile, là où le passage était précédemment convergent. Ceci améliore la distribution dans la zone locale adjacente au pylône et empêche la naissance d'ondes de choc sous 1 l'aile. les moteurs selon la présente invention se sont donc révélés capables d'améliorer le rendement des ailes d'un aéronef en dessous desquelles ils étaient montés. La figure 5 est-un graphique sur lequel la ligne.36 représente la répartition de la pression du courant d'air libre sous l'aile produite par un moteur de type courant tandis que la ligne 38 représente cette répartition pour un moteur selon l'invention. La ligne 34 représente le nombre de Mach lo Les paramètres d'établissement du graphique étaient P et et dans lesquels P est la pression statique sur l'intrados de l'aile H est la pression totale du courant d'air libre X est la distance du bord d'attaque de l'aile ; et C est la corde de l'aile. R E V E X D I C A e I 0 N S 1.- troupe propulseur à turbine à gaz caractérisé en ce qu'il comporte une tuyère annulaire dont chaque paroi, au plan de sortie de la tuyère, est dirigée vers l'axe longitudinal de la tuyère en direction aval sous un angle inclus compris entre 300 et 50 , le flux franchissant la tuyère étant dévié vers ledit axe de tuyère à l'intérieur de celle-ci et sortant de ladite tuyère sous forme d'un flux dirigé vers ledit axe de tuyère sous un angle compris entre 15 et 250 sur ledit axe. 2.- Groupe propulseur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur central. possédant un arrière-train dont l'extréiité aval définit une tuyère d'é happement de gaz chauds, un conduit de flux dérivé entourant le moteur central et formant une tuyère annulaire avec l'arrière- train dudit moteur central, les parois du conduit et de l'arriè- re-train au plan de sortie de la tuyère de circuit dérivé étant chacune dirigées vers l'axe longitudinal de le tuyère sous un angle inclus compris entre 300 et 500 sur ledit axe, 3.- Groupe propulseur à turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tuyère d'échappement de gaz chauds comporte un organe central biconique de sortie définis- sant, avec la paroi de l'arrière-train, une zone de sortie annu- laire pour les gaz chauds, les parois de l'arrière-train et de l'organe iconique définissant la tuyère d'échappement de gaz chauds étant également dirigées vers l'axe longitudinal de la tuyère sous un angle compris entre 300 et 50 .