Brevet FR2463859A1 — publié le 19810227

ủ /676 L'invention concerne, d'une manière générale, les tuyé- -res d'éjection des moteurs à turbine à gaz et, plus spéciale- ment, les systèmes de propulsion du type à vecteur de pous- sée orientable. La vitesse élevée communiquée par une tuyère d'éjection aux gaz sortant d'une turbine à gaz fournit une poussée pro- pulsive. Le sens de cette poussée est sensiblement opposé à celui du flux des gaz éjectés sortant de la tuyère. En consé- quence, si l'on modifie la direction des gaz éjectés, la di- rection de la poussée propulsive varie de façon correspondan- te. Typiquement, les moteurs d'avion à turbine à gaz compor- tent des tuyères fixes dans le sens axial, et les manoeuvres verticales et latérales de l'avion se font uniquement au moyen des gouvernes. La configuration des avions évolués fait envisager, et même peut rendre nécessaire, la modification à volonté de la direction de la poussée des moteurs à turbine à gaz, autrement dit l'orientation à volonté de leur vecteur de poussée, ceci pour améliorer les performances de l'avion et doter celui-ci de caractéristiques opérationnelles parais- sant jusqu'ici impossibles; Par exemple., si l'on dirige vers le bas, et non vers l'arrière, les gaz éjectés d'un moteur d'avion à turbine monté de façon classique (ces gaz étant ainsi sensiblement perpendiculaires à l'axe longitudinal du moteur), la poussée vers le haut qui en résulte assure à l'a- vion une portance directe et le rend capable de décoller ver- ticalement ou de décoller et d'atterrir sur de courtes dis- tances, si on la règle convenablement. De rmêéme, l'orientation du vecteur de poussée en vol peut augmenter beaucoup la mania- bilité de l'avion, du fait que la force de poussée peut s'a- jouter aux forces de manoeuvre des gouvernes. Pour obtenir cette orientation du vecteur de poussée, il faut un dispositif qui modifie efficacement et de façon pra- tique la direction des gaz sortant de la tuyère d'éjection du moteur à turbine. Les spécialistes connaissent bien les nom- breux dispositifs mis au point pour obtenir ce résultat. Par- mi ceux-ci, une tuyère d'éjection utilise un volet supérieur et un volet inférieur que l'on fait tourner simultanément pour faire dévier vers le haut ou vers le bas les gaz éjec- tés. En augmentant l'angle des volets, on rend plus grande la déviation communiquée au flux des gaz éjectés. En prati- que, l'angle dont tournent les volets est relativement petit (de l'ordre de 20 degrés) pour les manoeuvres en vol; pour le décollage et l'atterrissage court, il est plus grand (de l'ordre de 40 à 70 degrés). Ce système de la technique anté- rieure a permis d'avoir une tuyère à vecteur de poussée orientable, mais des difficultés se sont présentées en ce qui concerne l'écoulement du fluide dans la tuyère, en rai- son de l'emplacement d'une section minimale d'écoulement (ou col) de la tuyère. Dans le dispositif de la technique anté- rieure, le col se trouvait dans une partie fixe de la tuyère o les gaz éjectés-subissent une accélération qui les fait passer de vitesses subsoniques à des vitesses supersoniques. Le volet supérieur et le volet inférieur utilisés pour modi- fier l'orientation du vecteur de poussée se trouvaient en aval du col de la tuyère, si bien que ces volets imposent un changement d'orientation aux gaz éjectés après que ceux-ci aient atteint des vitesses supersoniques. Ce mode d'orienta- tion des gaz éjectés s'est révélé inefficace et, dans certai- nes configurations, a même créé une tuyère à deux cols et fait apparaître des régimes d'ondes de choc excessives endom- mageant parfois des composants de la tuyère. Bien que l'on ait mis au point des types de tuyères dans lesquelles le flux des gaz éjectés est dévié avant de passer à des vitesses superso- nique, ces tuyères sont généralement ou bien incapables de faire dévier suffisamment le flux éjecté pour que l'avion fonctionne en ADAC ou bien sont beaucoup trop lourdes et en- combrantes, en particulier pour être montées sur un chasseur à réaction à performances élevées. En résumé, les objectifs:ci-dessus sont obtenus dans une réalisation grâce à une tuyère d'éjection possédant un volet supérieur et un volet inférieur à calage variable. Le volet supérieur, ou volet d'orientation du vecteur de poussée, pi- vote autour d'une partie aval d'un canal fixe, dans une ré- gion de moindre section interne d'écoulement qui forme un col de tuyère quand la tuyère est dans un mode de fonctionnement sans orientation du vecteur de poussée. Le volet supérieur peut pivoter et donc faire dévier les gaz éjectés suivant des angles choisis par rapport à l'axe du moteur. Le volet inférieur, ou volet de réglage, est relié à une partie du canal fixe en amont du point de pivotement du volet d'orien- tation du vecteur de poussée et pivote progressivement, en collaboration avec le volet d'orientation du vecteur de poussée, pour former entre eux un col à position variable quand la tuyère est dans un mode de fonctionnement avec orientation du vecteur de poussée. Le volet de réglage est en mesure de modifier la position du col pour que celui-ci se trouve en aval de l'endroit o les gaz éjectés changent de direction quand le flux atteint une vitesse supersonique. La description qui va suivre se réfère aux figures anne- xées, qui représentent respectivement: Fig. 1, une vue en coupe schématique d'une tuyère d'éjec- tion orientable de la technique antérieure; Fig. 2, une vue en coupe schématique de la présente in- vention, Fig. 3, une vue en coupe d'un volet de réglage faite sui- vant la ligne 3-3 de la figure 2; Fig. 4, une vue en coupe d'un volet d'orientation du vec- teur de poussée faite suivant la ligne 4-4 de la figure 2; et Fig. 5, une vue en coupe schématique de la présente in- vention utilisée dans un mode de fonctionnement avec orienta- tion du vecteur de poussée. La figure 1 représente une tuyère d'éjection de la tech- nique antérieure dans une position o il n'y a pas orienta- tion du vecteur de poussée; on y voit également, en trait interrompu, le profil de composants appropriés de la tuyère dans une position o il y a orientation du vecteur de poussée. Dans la position sans orientation du vecteur de poussée, les gaz éjectés s'écoulant vers l'aval à travers la tuyère 10 sont accélérés: ils sont à vitesse subsonique avant le col 14, atteignent Mach 1 en cet endroit, puis prennent des vi- tesses supersoniques en aval de ce col. Les gaz éjectés sor- tent de la tuyère sans rencontrer d'obstacles et fournissent une poussée vers l'avant parallèle à l'axe du moteur. Si l'on se reporte maintenant à la position représentée par le tracé en trait interrompu de la figure 1, le pivote- ment d'un volet supérieur 11 provoque un fonctionnement avec orientation du vecteur de poussée, dans lequel le flux des gaz éjectés est dévié vers le bas, d'o apparition d'un an- gle entre le vecteur de poussée et l'axe du moteur. Bien que le dispositif de la technique antérieure représenté sur la figure 1 puisse effectivemenJt faire dévier de 30 degrés ou moins le flux des gaz éjectés, des essais ont montré que la déviation des gaz se produit après que ceuxci aient atteint une vitesse supersonique, ce qui entraîne une trainée exces- sive et crée des pertes de poussée. Dans le fonctionnement avec orientation du vecteur de poussée, les gaz éjectés cir- culant dans la tuyère 10 passent en 14 par une section mini- male d'écoulement, ou col, qui leur fait dépasser Mach 1, puis atteignent des vitesses supersoniques en aval de 14. Le flux éjecté est ensuite dévié par-le volet supérieur 11, alors que ce flux est à vitesse supersonique, ce qui produit une traînée excessive. Dans certaines réalisations de tuyè- res de la technique antérieure, la situation devient encore plus sérieuse, le flux des gaz éjectés pouvant prendre un ré- gime d'écoulement instable du fait que le col passe rapide- ment et de façon répétée de 14 à 16 et inversement, ce qui crée dans la tuyère des ondes de choc susceptibles d'endom- mager des composants de la tuyère. Si l'on se reporte maintenant à la'figure 2, on y voit la présente invention sous la forme d'une tuyère dans un mode de fonctionnement sans orientation du vecteur de poussée. Dans cette tuyère 20, un canal fixe 22 possède un profil in- terne d'écoulement dont la forme évolue progressivement pour devenir rectangulaire à son extrémité aval. Au fur et à mesu- re de cette évolution, la section du chemin interne d'écoule- ment du canal fixe 22 diminue, car la partie supérieure du canal s'incurve vers l'intérieur pour former ce chemin d'é- coulement. La partie supérieure du canal fixe va générale- ment jusqu'à une région o la section d'écoulement 26 est mi- nimale, et la moitié inférieure de ce canal va jusqu'à un point de pivotement fixe 28. Si la tuyère 20 a un dispositif de post-combustion, le passage à un profil rectangulaire doit commencer au voisinage du plan des stabilisateurs de flamme 30. En aval des stabilisateurs de flamme 30, une chemise in- terne 32 de protection thermique sert à amener de l'air de refroidissement en aval, sur les parties chaudes de la tuyère d'éjection. La tuyère 20 utilise deux pièces mobiles principales pour faire dévier le flux éjecté et pour modifier l'emplace- ment du col dans le chemin interne d'écoulement de la tuyère. Une première de ces pièces mobiles est un volet 36 d'orienta- tion du vecteur de poussée qui forme un déflecteur articulé agissant sur le flux éjecté; ce volet prolonge une partie aval d'une paroi supérieure délimitant le chemin d'écoulement du flux éjecté et se raccorde sur le canal fixe 22 au point de pivotement 37. La seconde de ces pièces mobiles est un dé- flecteur, ou volet de réglage, 38 agissant sur le flux éjec- té; ce volet constitue un prolongement d'une partie de la paroi inférieure du chemin d'écoulement du flux éjecté et se raccorde sur le canal fixe 22 au.point de pivotement 28. Quand la tuyère 20 est en mode de fonctionnement sans orien- tation du vecteur de poussée (figure 2), les gaz éjectés pas- sent en 26 par une section minimale d'écoulement, o ils at- teignent Mach 1, et continuent à se détendre et à accélérer jusqu'à des vitesses supersoniques en aval de la région 26. Le volet 36 d'orientation du vecteur poussée et le volet de réglage 38 occupent des positions relatives qui n'offrent pratiquement pas d'obstacle à la détente des gaz éjectés, ce qui fait que le chemin d'écoulement se poursuit vers l'aval et fournit une poussée vers l'avant orientée suivant l'axe du moteur. Pour avoir un moyen de régler la pression des gaz éjec- tés, le volet de réglage 38 forme un récipient sous pression ce récipient est composé d'une surface inférieure, qui délimi- te une région inférieure du chemin d'écoulement du flux éjec- té, et d'une surface supérieure 42. Il y a formation d'une cavité sous pression entre la surface supérieure 42 et le canal fixe 22 du fait de l'air de refroidissement amené par la chemise interne 32 de protection thermique. La force s'e- xerçant sur la surface supérieure 42-, force due à la pression régnant dans cette cavité, contrebalance dans une certaine mesure la charge appliquée par les gaz éjectés sur la surfa- ce inférieure 40 du volet de réglage 38. Ceci permet de fai- re pivoter la totalité du volet de réglage 38 avec des forces de manoeuvre réduites, ce qui évite d'avoir des mécanismes de manoeuvre encombrants et lourds. Pour assurer l'étanchéité de cette cavité sous pression, la surface supérieure 42 du volet de réglage 38 se trouve en- tre deux parois internes 48 et 49 fixées au canal fixe 22 de la tuyère 10. Les parois internes 48 et 49 comportent des surfaces en forme d'arc ayant un centre commun qui coTncide avec le point de pivotement 28 pour assurer l'étanchéité en- tre les parois internes 48, 49 et la surface supérieure 42 pendant tout le déplacement du volet de réglage 38 autour du point de pivotement 28. Sur la figure 3, une vue en coupe du volet de réglage 38 aidera le lecteur à comprendre la façon dont le récipient sous pression est formé par le volet de réglage 38. Les gaz éjectés circulent dans l'espace situé entre la surface infé- rieure 40 et le canal fixe 22 formé dans la région inférieu- re du volet de réglage 38. Dans la région supérieure du volet de réglage 38, le récipient sous pression se trouve entre le canal fixe 22 et la surface supérieure 42, et est formé par eux. On voit facilement comment les forces de pression que les gaz éjectés exercent sur la surface inférieure 40 sont contre-balancées par les forces de pression dues à la cavité sous pression et appliquées sur la surface supérieure 42. Si l'on revient à la figure 2, on voit que le volet 36 d'orientation du vecteur de poussée est fixé sur le canal fixe 22 au point de pivotement 37, qui se trouve généralement dans la zone o la section d'écoulement 26 est minimale. Ce volet 36 possède une surface à très grand rayon de courbure, qui sert à guider le flux éjecté, et des parois latérales 44, qui servent à retenir le flux éjecté. Le volet 36 comporte également une surface supérieure plane pour que le raccorde- ment avec une surface fixe 46 se trouvant en haut au-dessus du moteur se fasse sans à coups. Si l'on se reporte maintenant à la figure 4, on y trou- ve une vue en coupe du volet 36 d'orientation du vecteur de poussée et de ses parois latérales 44. On voit facilement que les parois latérales contribuent à retenir les gaz éjectés. Si l'on se reporte maintenant à la figure 5, on y voit la tuyère 20 avec les volets 36 et 38 déployés, dans un mode de fonctionnement avec orientation du vecteur de poussée. Le volet 36 d'orientation du vecteur de poussée est manoeuvré de façon indépendante pour régler la direction de la poussée à tous les régimes du moteur, pendant le vol de l'avion. De plus, ce volet assure aussi le réglage du rapport de sections de la tuyère d'une façon indépendante de la section du col de la tuyère. Le fait que le point de pivotement 37 du volet 36 d'o- rientation du vecteur de poussée soit dans la zone o se trou- ve la section minimale d'écoulement 26 en mode de fonctionne- ment sans orientation du vecteur de poussée présente deux a- vantages majeurs qui ne se rencontrent pas ensemble dans les constructions de tuyère d'éjection de la technique antérieure. En premier lieu, l'emplacement du point de pivotement 37 a pour conséquence un dispositif présentant des performances élevées en fonctionnement avec orientation du vecteur de-pous- sée, du fait que les gaz éjectés changent de direction avant un nouvel emplacement du col 50 de la tuyère, o les gaz at- teignent des vitesses supersoniques. On s'en rend compte fa- cilement sur la figure 5 en suivant le chemin interne d'écou- lement des gaz, qui sont déviés une première fois par le ca- nal fixe 22, puis par le volet 36 d'orientation du vecteur de poussée. Le nouvel emplacement de la section minimale du che- min d'écoulement est le col 50, qui se trouve bien en aval de la zone o les gaz éjectés ont été déviés pour donner une poussée orientée. Les gaz éjectés restent donc subsoniques avant d'atteindre le col 50, et n'atteignent pas des vites- ses supersoniques avant de quitter la tuyère d'éjection 20, à ce moment là, leur orientation a déjà changé et ils sont orientés vers le bas. Un second avantage dû à l'emplacement du point de pivo- tement 37 est la plage étendue d'angles du vecteur de poussée que peut donner la tuyère 20. On voit sur la figure 5 que les gaz éjectés ont dévié de 60 degrés par rapport à l'axe du mo- teur. Il en résulte un accroissement de la poussée verticale, ce qui est avantageux dans le cas du décollage et de l'atter- rissage court d'un avion. En fonctionnement, on incline d'un angle prédéterminé le volet 36 d'orientation du vecteur de poussée pour obtenir un angle voulu du vecteur de poussée. En même temps qu'on dé- place le volet 36, on place le volet de réglage 38 de façon à avoir un col de tuyère d'éjection présentant une section- convenable, et ceci dans un endroit souhaitable, en aval de la région o les gaz éjectés changent d'orientation. L'action combinée du volet de réglage 38 et du volet d'orientation du vecteur de poussée permet d'utiliser la réalisation de tuyère de la présente invention aussi bien comme tuyère d'éjection pour les manoeuvres en vol que comme tuyère à vecteur de pous- sée orientable pour le décollage et l'atterrissage court, la structure de cette tuyère se caractérisant par son rendement et sa légéreté. 9. R E Y E N D I C A T I 0 N S 1 - Tuyère d'éjection à flux de gaz éjectés orientable pour moteur à turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle com- prend: une paroi supérieure délimitant partiellement un chemin d'écoulement du flux éjecté; un premier dispositif articulé de déflexion du flux é- jecté formant une partie aval de la paroi supérieure i ce dispositif de déflexion comprenant un volet 36 d'o- rientation du vecteur de poussée, à calage variable, qui pi- vote autour d'une partie aval d'un canal fixe (22) en un endroit (37) de ce canal fixe dont la section interne (26) est généralement inférieure, et qui est agencé pour faire dé- vier le flux éjecté et lui donner une orientation qui fasse des angles choisis par rapport à la direction axiale du mo- teur; et une paroi inférieure, sensiblement opposée à la paroi supérieure et délimitant en outre le chemin d'écoulement du flux éjecté; un second dispositif articulé de déflexion du flux éjec- té formant une partie aval de la paroi inférieure; ce second dispositif de déflexion comprenant un volet de réglage (38) à calage variable relié fonctionnellement à une partie du canal fixe (22) et coopérant avec le premier dispositif de déflexion (36) pour former entre eux un col à position variable, ce col se trouvant en aval de l'endroit o les gaz éjectés changent d'orientation quand le volet (36) d'orientation du vecteur de poussée est dans un mode de dé- viation. 2 - Tuyère suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le volet (36) d'orientation du vecteur de poussée et le volet de réglage (38) pivotent pour avoir un mouvement re- latif l'un par rapport à l'autre de façon que le col qui se trouve entre eux se déplace vers l'aval de ces volets au fur et à mesure que la déviation des gaz éjectés par rapport à la direction axiale du moteur augmente. 3 - Tuyère suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le volet de réglage (38) comprend en.outre: une surface inférieure (40) délimitant le chemin d'écou- lement du flux éjecté; et une surface supérieure (42), soumise à l'action d'une cavité sous pression, pour que les forces de pression s'exer- çant sur cette surface supérieure puissent contrebalancer les forces de pression, dues au flux éjecté, qui s'exercent sur la surface inférieure, d'o formation d'un récipient sous pression à l'intérieur de ce volet de réglage. 4 - Tuyère suivant la revendication 3, caractérisée en ce que la surface supérieure (42) se trouve entre deux sur- faces opposées de deux parois internes (48, 49) fixées à la partie fixe du canal 22, et caractérisée en ce que ces sur- faces opposées de ces parois forment des arcs ayant un cen- tre commun correspondant à un point de pivotement (28) du vo- let de réglage (38) à calage variable, pour assurer une étan- chéité entre cette surface supérieure (42) et ces parois in- ternes (48, 49) durant tout le déplacement de ce volet de ré- glage (38). - Tuyère suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la section du chemin interne d'écoulement est conve- nablement répartie pour que les gaz éjectés restent subsoni- ques tout le temps que les gaz éjectés changent d'orientation, et atteignent une vitesse supersonique en aval du col, une fois que les gaz éjectés ont pratiquement fini de changer d'orientation. 6 - Tuyère suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le volet de réglage (38) pivote autour d'un point (28) situé en amont du volet (36) d'orientation du vecteur de pous- sée et en ce que les volets peuvent être placés de façon à faire dévier les gaz éjectés jusqu'à 60 degrés au moins par rapport à la direction axiale du moteur.