Brevet FR2525689A1 — publié le 19831028

La présente invention concerne des tuyères de turbo- machines à section variable, et elle concerne plus particu- lièrement, bien que non exclusivement, des tuyères pouvant être pivotées pour modifier la direction de la poussée pro- duite par les turbomachines, et obtenir une poussée en sens inverse. Le gouvernement des U S A possède des droits sur la présente invention, suite au contrat n F 33615-81-C-2002 octroyé par la United States Air Force. La post-combustion, ou réchauffe, est un procédé per- mettant d'augmenter la poussée de base d'une turbomachine à gaz, procédé consistant en l'introduction et la combustion de carburant additionnel entre la turbine du moteur et la tuyère du tube à jet qui utilise l'oxygène non brûlé conte- nu dans les gaz d'échappement pour soutenir la combustion. On sait également,avec les moteurs tels que le moteur Pegasus de Rolls-Royce Ltd dans lequel de l'air froid en dé- rivation est déchargé de tuyères "froides" orientables, com- ment brûler di carburant additionnel dans le courant d'air envoyé aux tuyères pour augmenter la poussée On se réfère habituellement à ce mode de fonctionnement par l'expression de "combustion en chambre de tranquillisation" (C C T). Aussi bien pour les modes de fonctionnement en ré- chauffe qu'en C C T, il est nécessaire d'avoir la possibi- lité d'augmenter la section de sortie de la tuyère, pour ob- tenir une section de passage convenant à l'augmentation de volume du courant gazeux en résultant, et éviter toute aug- mentation de pression pouvant affecter d'une manière quelcon- que le fonctionnement efficace du moteur La section effec- tive de la tuyère est déterminée par de nombreux facteurs affectant la masse du courant d'air passant par le moteur, tels que l'altitude, la température ambiante, la vitesse vers l'avant de l'avion, et la vitesse du moteur. Lorsqu'il s'agit de tuyères qui peuvent être pivotées, le mécanisme utilisé pour modifier la section de sortie doit être simple à manoeuvrer, apte à être manoeuvré indépendam- ment du mécanisme faisant pivoter la tuyère, robuste, et léger pour ne pas imposer des charges inacceptables au mécanisme qui supporte et fait pivoter la tuyère. L'invention telle qu'elle est revendiquée propose une tuyère à section de passage variable pour turbomachine, sim- ple à faire fonctionner, robuste et légère La tuyère convient également en tant que tuyère pouvant être pivotée, et elle est capable de produire une poussée inversée. L'invention sera maintenant décrite à titre d'exemple, avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: La figure 1 représente schématiquement une turbine à gaz de moteur d'avion comportant trois tuyères orientables. A seul titre de commodité, une seule des tuyères constituées selon la présente invention est représentée. La figure 2 représente plus en détail une vue en coupe et en élévation d'une partie de la tuyère arrière du moteur représenté à la figure 1, La figure 3 représente plus en détail une partie de la série de premiers volets de la tuyère de la figure 2, et La figure 4 représente un inverseur de poussée cons- truit selon la présente invention. Si l'on se référe à la figure 1, elle représente sché- matiquement un moteur d'avion (l O)à turbine à gaz, du type à dérivation Le moteur comprend en série, un compresseur basse pression et à flux axial ( 11), un compresseur haute pression et à flux axial ( 12), une chambre de combustion ( 13) une turbine haute pression ( 14) qui entraine le compresseur HP ( 12), une turbine basse pression ( 15) qui entraîne le com- presseur BP ( 11), et un tube a jet ( 16) qui se termine en une tuyère ( 17) de section variable et orientable. Le compresseur BP ( 11) envoie de l'air comprimé au com- presseur HP ( 12) et à une chambre de tranquillisation ( 18) qui fait partie de la conduite de dérivation ( 19) et qui se termine par deux tuyères orientables ( 20) Les tuyères ( 20) sont mon- tées dans des paliers ( 25) de manière à tourner sur un angle d'environ 1 100 autour d'un axe ( 21). On prévoit un équipement de combustion additionnel ( 22) dans la chambre de tranquillisation ( 18), de manière que du carburant additionnel puisse être brûlé dans le courant d'air qui est rejeté par les tuyères ( 20), en vue d'augmenter la poussée Pour permettre au moteur de tourner efficacement, les tuyères ( 17) et ( 20) sont munies de sorties a géométrie variable et à section variable, et construites selon la présente invention. Par commodité, l'invention sera décrite plus particu- lièrement en référence à la tuyère ( 17), mais on comprendra que le mécanisme utilisé pour modifier la section et la géo- métrie est semblable pour toutes les tuyères ( 17) et ( 20), et peut être également utilisé avec des tuyères pour tubes à Jet fixes. La tuyère ( 17) est du type dans lequel une conduite rotative encastrée ( 17 a) est montée dans des paliers ( 23) à l'extrémité aval du tube à Jet ( 16), et une seconde con- duite encastrée ( 17 b) est montée dans des paliers ( 24), de manière à tourner en sens inverse à celui de la conduite ( 17 a). Le palier ( 24) peut, de son côté, tourner dans son ensemble sur des tourillons ( 26) s'étendant transversalement à l'axe de la conduite ( 17 b) Ce type de tuyère est décrit plus en détail dans la demande de brevet US associée ne 376 388, intitulée "Vectorable Nozzles for Turbomachines" (Tuyères orientables pour turbomachines) dont les inventeurs sont Gary Frank Szuminski et Thomas John Jones En fonctionnement, le palier ( 24) tourne autour de l'axe des tourillons ( 26) sous l'action d'un vérin à vis, désigné schématiquement par ( 50), qui exerce une poussée sur les consoles supportant le palier ( 24) dans les tourillons ( 26) Lorsque le palier ( 24) est entrainé en rotation autour de l'axe des tourillons ( 26) , les conduites ( 17 a) et ( 17 b) sont entraînées en rotation en sens inverse par un moteur ( 51) et des pignons ( 52,53), des chaînes d'entraînement ( 54,55) et un arbre d'entraînement flexible ( 56) comme expliqué dans la demande de brevet US sus-mentionnée. La tuyère ( 17) comprend, à son extrémité aval, une con- duite ( 17 c) supportée par la voie de roulement fixe du palier. C'est cette conduite ( 17 c) qui est munie du mécanisme permet- tant de modifier la géométrie et la section de sortie de la tuyère ( 17) selon la présente invention, comme montré aux fi- gures 2 et 3. Si l'on se réfère aux figures 2 et 3, le mécanisme utilisé pour modifier la géométrie et la section de la tuyère de sortie,comprend un organe annulaire ( 28) pouvant être animé d'un mouvement de translation et sur lequel sont sup- portés trois jeux de volets, comme cela sera décrit ci-des- sous L'organe ( 28) est monté de manière à coulisser axiale- ment à l'intérieur de la conduite d'extrémité aval ( 17 c), et l'organe ( 28) se présente sous la forme d'un coffre creux et annulaire dont une face ( 29) s'étend en direction transver- sale à l'axe ( 30) de la conduite ( 17 c) Du gaz sous pression qui passe par la conduite ( 17 c) agit sur la face ( 29) de ma- nière à solliciter l'organe ( 28) vers l'arrière. L'organe ( 28) coulisse à l'intérieur'de l'alésage de la conduite ( 17 c) et une chemise ( 31) de protection contre la chaleur est prévue pour protéger la conduite ( 17 c) et l'or- gane ( 28) des gaz chauds passant par la tuyère lorsque la chambre de combustion de réchauffe ( 32) située dans le tube à jet est allumée. L'organe ( 28) est supporté sur des tubes ( 33) s'éten- dant axialement, supportant un ensemble annulaire came-an- neau ( 34). Une vis de commande ( 35) d'un vérin à vis qui est situé dans au moins certains des tubes ( 33) coopère avec un écrou ( 36)(du type à bille et recirculation), fixé à l'organe ( 28). La rotation des vis de commande ( 35) par un entraînement par moteur et par l'intermédiaire de bottes d'engrenages transmet à l'organe ( 28) un mouvement de va-et-vient en direction axiale. L'ensemble came-anneau ( 34) comprend deux ossatures polygonales en tubes ( 34 a) interconnectées par plusieurs cames ( 37) faisant face vers l'intérieur (dont une seule est représentée) Les cames ( 37) sont situées à distances égales autour de l'axe ( 30). Un jeu de premiers volets primaires ( 38) sont fixés de façon pivotante à l'organe ( 28) Chaque premier volet primaire ( 38) est fixé de façon pivotante par son extrémité amont à l'extrémité circonférentielle interne aval de l'organe ( 28) et il comprend un flasque ( 39) faisant saillie sur son côté qui est tourné vers l'extérieur Le flasque ( 39) porte un dispositif suiveur de came ( 40) se présentant sous la forme d'un galet, qui est en engagement avec l'une des cames ( 37) pour définir et modifier l'attitude du volet ( 38) par rap- port à l'organe ( 28), lorsque cet organe ( 28) est déplacé en direction axiale. Les volets ( 38) ont une structure creuse à parois es- pacées, réalisée en un matériau à base de carbone-carbone, tel que le "Pyrocarb" (marque déposée aux USA, matériau fa- briqué par Hitco aux USA) Les matériaux en "pyrocarb" com- prennent une matrice en carbone dans laquelle est noyé un tissu tissé de fibres de carbone Le matériau est protégé de l'oxydation, en étant revêtu d'une couche protectrice non oxydante ou en étant imprégné de silicium, et ce silicium étant converti en carbure de silicium. Un second volet primaire ( 43) est fixé de façon pivo- tante par son extrémité amont à l'extrémité aval de chaque premier volet primaire ( 38) Chaque volet ( 43) a une struc- ture creuse àAparois espacées en carbone-carbone semblable à celle des volets ( 38) et chaque volet ( 43) comprend une patte ( 42) à mi-chemin de sa longueur. Les volets ( 38) sont espacés circonférentiellement et chacun des interstices entre volets ( 38) est fermé par une mince plaque d'obturation ( 41) (voir la figure 3), qui est une coupe passant par la charnière entre volets ( 38) et l'organe ( 28) Les plaques d'obturation ( 41) sont situées sur le côté des volets ( 38) qui fait face vers l'intérieur et sont retenues par des galets ( 46) venant en engagement avec la surface externe des volets ( 43),de manière à ne pas tomber vers l'intérieur Les plaques d'obturation ( 41) peu- vent s'adapter à diverses positions des volets ( 38), en glissant circonférentiellement. Une série d'entretoises ( 44) sont fixées de façon pi- votante, par l'une de leurs extrémités à la circonférence externe et aval de l'organe ( 28) Chacune des entretoises ( 44) est reliée de façon pivotante par son extrémité externe à la patte ( 42) de l'un des seconds volets ( 43). Là encore, les seconds volets ( 43) sont espacés cir- conférentiellement et les interstices formés entre eux sont obturés par de minces plaques d'obturation en carbone-carbone, fixées de façon pivotante par leur, extrémité amont à l'ex- trémité aval des plaques d'obturation ( 41) Les plaques d'ob- turation des seconds volets ( 43) sont disposées sur le côté des volets ( 43) qui est tourné vers l'intérieur et elles sont retenues par des galets ( 67) montés sur des flasques faisant saillie au travers des interstices entre volets ( 43), de ma- nière à venir en engagement avec la surface externe des vo- lets ( 43) et pour éviter qu'elles tombent vers l'intérieur. Les plaques d'obturation des seconds volets ( 43) autorisent ces volets à occuper diverses positions o il définissent une partie convergente de la tuyère jusqu'à l'endroit o ils définissent une partie divergente de la tuyère en glissant par rapport aux volets ( 43) Lesdites plaques d'obturation ne comportent pas de pattes ( 42) et il n'y a pas d'entretoi- ses ( 44) reliées à ces plaques d'obturation. Un jeu de troisièmes volets ( 47) réalisés en un maté- riau polyimide renforcé par des fibres de carbone sont pré- vus sur l'organe ( 28) Chacun des troisièmes volets ( 47) est fixé de façon pivotante par son extrémité amont à l'extré- mité aval de l'organe ( 28), et est fixé de façon pivotante par son extrémité aval à l'extrémité aval de l'un des seconds volets ( 43) Le pivot ( 45) qui est à l'extrémité amont des troisièmes volets ( 47) est disposé dans un trou allongé ( 46) pratiqué dans l'organe ( 28). Les volets ( 47) se chevauchent pour s'adapter aux di- verses positions des volets ( 43). Lorsque la tuyère fonctionne et lorsque l'organe ( 28) se trouve dans sa position totalement à l'arrière, position qui est représentée en traits continus à la figure 2, les volets ( 38) définissent une partie convergente de la tuyère et les volets ( 43) définissent une partie parallèle ou légè- rement divergente de la tuyère avec dimension minimale pour la région du col de ladite tuyère (dans un plan radial des connexions de pivotement entre volets ( 38) et ( 43) Cette con- figuration pourrait être utilisée pour un mode de fonction- nement à poussée maximale à sec en vol subsonique, par exem- ple pour le décollage, ou encore pour des accélérations subsoniques. Lorsqu'on tire l'organe ( 28) vers l'avant, les élé- ments suiveurs de came ( 40) se déplacent le long des cames ( 37), et les volets ( 38) définissent une partie parallèle ou légèrement convergente de la tuyère(représentée en traits mixtes) avec une section de col maximale, et les volets ( 43) définissent une partie divergente de la tuyère, avec une section de sortie maximale aux extrémités aval des volets ( 43) Cette configuration pourrait être utilisée en vue d'une poussée maximale en régime en réchauffe ou en C C T. Lorsque les volets ( 38) et ( 43) occupent des positions différentes, leurs plaques d'obturation coulissent de manière a remplir les interstices entre leurs volets respectifs Les volets ( 47) se déplacent également pour modifier l'angle de rétreint de culot et réduire ainsi la trainée de culot. Les charges appliquées par les gaz sur les volets ( 38) et ( 43) et leurs plaques d'obturation, sont retransmises à l'organe ( 28) et elles exercent une force nette vers l'avant (c'est-à-dire en direction du tube à jet ( 16) sur l'organe ( 28) En conséquence, lorsqu'on expose la face avant de l'or- gane ( 28) aux gaz sous pression qui passent par la conduite ( 17 c), les gaz exercent une force dirigée vers l'arrière sur l'organe ( 28), qui contrebalance en partie les charges en di- rection de l'avant, exercées sur l'organe ( 28) Ceci réduit à son tour les forces nécessaires pour déplacer l'organe ( 28) en direction axiale On peut choisir la surface de la face avant ( 29) de l'organe,de manière à obtenir une force optimale di- rigée vers l'arrière et appliquée à l'organe ( 28). Il est clair que pour des positions intermédiaires entre celles qui sont représentées en traits continus et mixtes à la figure 2,on peut obtenir diverses combinaisons de convergence et de divergence avec diverses sections de col. Si l'on se réfère à la figure 4, la conduite ( 17 c) est munie d'ouvertures de sortie ( 59) dirigées vers l'avant et es- pacées circonférentiellement Une porte de couverture cylin- drique et creuse ( 60), pouvant subir un mouvement de transla- tion axiale, est prévue pour obturer l'extrémité externe de toutes les ouvertures de sortie ( 59) Une paire de portes ( 61) en forme de coquilles creuses tronconiques et hémisphériques qui pivotent autour d'un axe transversal ( 62) de la conduite ( 17 c) est prévue pour obturer les extrémités internes des ou- vertures de sortie lorsque les portes ( 61) sont dans une po- sition arrimée. La porte ( 60) formant couvercle, est supportée concen- triquement par rapport au palier ( 24) au moyen de huit pi- gnons ( 63) espacés circonférentiellement et en prise avec des crémaillères ( 64) sur la circonférence interne de la porte formant couvercle ( 60) Les pignons ( 63) sont entrai- nés par un moteur l'intermédiaire de boites d'engrenages et d'arbres d'entrai- nement (non représentés), de manière à tourner à l'unisson et déplacer la porte ( 60) axialement en vue d'ouvrir et de fer- mer les ouvertures ( 59) Un moteur ( 66) est prévu pour faire tourner les portes en forme de coquilles ( 61) autour de l'axe ( 62), de la position arrimée (représentée en traits continus) vers une position de poussée inversée (représentée en traits mixtes) o les gaz d'échappement sont déviés et sortent par les ouvertures ( 59). Une caractéristique importante de la présente invention est que les portes en forme de coquilles ( 61) sont prévues au niveau du col de la tuyère En d'autres termes, les portes ( 61) coopèrent avec les volets ( 38) lorsqu'elles sont déployées pour former une conduite convergente, ce qui serait le cas lorsque le moteur est actionné selon le mode subsonic "à sec". T entrainemecnt allant aux engrenages ( 63) est synchronisé avec l'entraînement allant aux portes en forme de coquilles ( 61), de manière que la porte ( 60) soit déplacée et n'ouvre les ouvertures ( 59) que lorsque les portes en forme de coquil- les ( 61) sont déplacées vers la position de poussée inversée. De plus, l'entraînement allant au mécanisme qui déplace l'or- gane ( 28) axialement pour modifier la géométrie de la tuyère, est synchronisé, de manière que les portes en forme de coquil- les ( 61) puissent n'être déplacées en position de poussée in- versée, que lorsque les volets ( 38) sont en position conver- gente (c'est-à-dire quand l'organe( 28) est poussé vers l'ar- rière au maximum et quand le moteur est utilisé en mode subsonique "à sec"ti En disposant les portes en forme de coquilles ( 61) dans la région du col de la tuyère et en utilisant les vo- lets ( 38) pour aider à la formation d'une partie de la sur- face de déviation pour le mode en poussée inversée, les portes en forme de coquilles ( 61) peuvent avoir des dimen- sions plus faibles et être donc plus légères et plus faciles à déployer Ceci est particulièrement important lorsqu'on a besoin d'un inverseur de poussée sur une tuyère qui est orientable. Cependant, on ne peut pas ne pas insister trop forte- ment sur le fait que, bien que la tuyère décrite ci-dessus l'ait été en référence à une tuyère orientable, la présente invention peut être éminemment valable à l'extrémité aval d'un tube à jet fixe. REVENDICATIONS - 1 Tuyère d'échappement pour turbomachine à gaz, comprenant une conduite ( 17 c) et un mécanisme pour modi- fier la géométrie et la section de la tuyère, lequel mé- canisme comprend plusieurs volets mobiles ( 38,43) qui,, dans une position au moins, définissent une partie convergen- te de la tuyère, caractérisée en ce qu'il est prévu, en amont des volets, une ou plusieurs ouvertures ( 59), dirigées vers l'extérieur, dans la paroi de la conduite ( 17 c), et une paire de portes ( 61) se faisant mutuellement face et tournant au- tour d'un axe transversal à la longueur de la conduite, les portes ( 61) étant disposées par rapport à l'axe de la con- duite ( 17 c) aux ouvertures ( 59), et aux volets ( 38,43), de manière que, da-s une première position, elles obturent la ou les ouvertures ( 59) et déterminent un courant pratiquement sans obstacle au travers de la tuyère, et dans une seconde position, elles découvrent lesdites ouvertures ( 59) et coo- pèrent avec les volets ( 38,43), lorsque ces volets sont dans une position convergente, de manière que les volets, en coo- pération avec les portes, déterminent des surfaces de dévia- tion qui renvoient le courant des gaz pour le faire sortir par lesdites ouvertures. 2 Tuyère d'échappement selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce qu'un second dispositif à porte ( 60) est prévu pour obturer une extrémité externe de la ou de chacune des ouvertures ( 59). 3 Tuyère d'échappement selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce que le mécanisme utilisé pour modifier la géométrie et la section de passage de la tuyère comprend un organe ( 28) pouvant effectuer un mouvement de translation par rapport à la conduite dans une direction s'étendant le long de la longueur de cette conduite et en ce que les volets ( 38,43) sont montés de façon pivotante sur l'organe ( 28), -par leur extrémité amont. 4 Tuyère selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'organe ( 28) pouvant effectuer un mouvement de trans- lation est monté de manière à coulisser sur des supports s'é- tendant axialement et en ce que ceux-ci portent une ossature annulaire qui définit plusieurs surfaces de came ( 37) s'é- tendant axialement, et espacées autour de l'axe de l'ossa- ture annulaire. Tuyère selon la revendication 4, caractérisée en ce que les surfaces de came ( 37) font face vers l'intérieur et en ce que chaque volet ( 38) est muni, sur son côté fai- sant face vers l'extérieur, d'un dispositif suiveur de came ( 40) qui coopère avec l'une des surfaces de came. 6 Tuyère d'échappement selon la revendication 3, caractérisée en ce que les volets comprennent une série, sy- métrique par rapport à l'axe, de premiers volets ( 38), et en ce que le mécanisme utilisé pour modifier la géométrie et la section de passage de la tuyère comprend en outre une série, symétrique par rapport à l'axe, de seconds volets ( 43), dont chacun est monté de façon pivotante et par son extrémité amont a l'extrémité aval de l'un des premiers volets ( 38), et en ce que des moyens de retenue ( 44) sont prévus pour obliger les seconds volets ( 43) à occuper une position divergente par rapport à la conduite, dans au moins une position des seconds volets. 7 Tuyère d'échappement selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de retenue comprennent plusieurs entretoises ( 44), dont chacune est fixée de façon pivotante par une extrémité à l'organe ( 28), et est fixée de façon pivotante par son autre extrémité à l'un des seconds volets ( 43). 8 Tuyère d'échappement selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'il est prévu une série, symétrique par rapport à l'axe, de troisièmes volets ( 47), chacun des troi- sièmes volets étant relié de façon pivotante par son extré- mité aval à l'extrémité aval d'un second volet ( 43) et monté par son extrémité amont sur l'organe ( 28) pouvant effectuer un mouvement de translation axiale. 9 Tuyère selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'organe ( 28) pouvant effectuer un mouvement de trans- lation axiale a une structure annulaire, cylindrique et droite, et en ce que les premiers volets ( 38) sont montés de façon pivotante sur une circonférence interne de l'organe annulaire, et en ce que les troisièmes volets ( 47) sont montés de fa- çon pivotante sur une surface externe de cet organe.