Brevet FR2524937A1 — publié le 19831014

La présente invention concerne des tuyères pour turbines à gaz de moteurs d'avion, et elle se rapporte en particulier à des tuyères à géométrie variable et à la suppression des ra- diations infrarouges &mises par le jet chaud des gaz d'échap- pement de ces moteurs. Les avions de combat modernes exigent de la souplesse pour pouvoir voler à des vitesses subsoniques et supersoni- ques et remplir ainsi des fonctions diverses Pour remplir ces fonctions, il faut augmenter la poussée de base produite par le moteur en mode "sec" en brûlant du carburant addition- nel en aval des turbines du moteur, en utilisant l'oxygène non brûlé contenu dans les gaz d'échappement pour soutenir la combustion Ce mode est connu sous le nom réchauffage ou de post-combustion Au cours du réchauffage, il est néces- saire d'augmenter la section de la tuyère pour y admettre le volume de gaz plus important et ne pas nuire au fonctionne- ment efficace du moteur Pour d'autres fonctions, telles qu' une croisière supersonique, il est souhaitable de modifier la géométrie de la tuyère d'échappement du moteur en partant d'une géométrie convergente convenant à une vitesse subsonique pour parvenir à une configuration o la section du col est plus im- portante (par comparaison A celle qui est nécessaire pendant le mode "à sec" ou pour une croisière subsonique) ce col étant formé entre la partie convergente et la partie divergente de la tuyère, à laquelle on fait souvent référence par l'expres- sion de tuyère "convergente-divergente" (con-di). Il existe des moments au cours de l'enveloppe de vol d'un avion o le réchauffement n'est pas nécessaire et o la condi- tion essentielle est de réduire les émissions infrarouges du jet de gaz d'échappement et de réduire ainsi ou même d'éviter la détection par des missiles chercheurs de chaleur qui se dirigent vers l'avion Ces missiles détectent habituellement les émissions infrarouges du jet chaud des gaz d'échappement et lorsque le jet est détecté, s'orientent sur les parties chaudes du moteur pour détruire l'avion. Il existe un besoin pour une tuyère pouvant non seulement convenir pour les modes de fonctionnement à sec et en réchauf- fage, mais permettant également de réduire sélectivement les émissions infrarouges du moteur. Un objet de la présente invention est de proposer une tuyère à géométrie variable capable d'être utilisée à la fois pour les modes de fonctionnement à sec et en réchauffage et également capable de réduire les émissions infrarouges du jet chaud des gaz d'échappement. L'invention telle qu'elle est revendiquée permet de mo- difier la géométrie de la tuyère pour s'adapter aussi bien aux modes de fonctionnement à sec et en réchauffage en déplaçant des volets, et permet de réduire les émissions infrarouges en ouvrant des entrées d'air additionnelles qui admettent l'air ambiant en vue de refroidir et de protéger le Jet chaud des gaz d'échappement. La tuyère selon la présente invention peut être instal- lée sur un tube à jet fixe ou sur un tube a jet mobile En ou- tre, la tuyère de la présente invention peut être installée sur les tuyères avant mobiles d'un moteur tel que le moteur Pegasus de RollsRoyce Limited a air d'échappement en dérivation froid ou réchauffé. L'invention sera maintenant décrite à titre d'exemple et avec référence au dessin ci-annexé dans lequel: Figure 1 représente schématiquement une turbomachine à gaz munie d'une tuyère a géométrie variable constituée selon la présente invention; figure 2 est une vue en coupe plus détaillée de la tuyère arrière du moteur de la figure 1; figures 3 à 7 représentent d'autres types de tuyères dif- férents de celui représenté à la figure 1 Si l'on se réfère à la figure 1, celle-ci représente de façon schématique un moteur d'avion A turbine a gaz ( 10) com- prenant, en série, un compresseur basse pression ( 11) à flux axial, un compresseur haute pression ( 12) à flux axial, une chambre de compression ( 13), une turbine haute pression ( 14) qui entraîne le compresseur haute pression ( 12), une turbine basse pression ( 15) qui entraîne le compresseur basse pression ( 11), un tube à jet ( 16) comprenant un brûleur de réchauffage ( 17), et une tuyère à géométrie variable ( 18) conforme à la présente invention. Si l'on se réfère à la figure 2, la tuyère ( 18) com- prend deux conduits espacés constitués par le tube A jet ( 16) et par un carter externe ( 19) Une série circonférentielle et symétrique par rapport à l'axe de premiers volets ( 20) est prévue A l'aval du tube A jet ( 16). Chacun des volets ( 20) est fixé de façon pivotante A son extrémité amont, A l'extrémité aval du tube A jet ( 16). Les volets ( 20) se présentent sous la forme de plaques plates, qui sont de forme trapézoïdale D'autres volets ( 20 a) chevau- chent les volets adjacents ( 20), de manière A former des pla- ques d'obturation fermant les interstices circonférentiels situés entre volets adjacents ( 20). En aval des volets ( 20) est disposée une série circon- férentielle de volets espacés ( 23) Chacun des volets ( 23) est fixé de façon pivotante A son extrémité amont, A l'extrémité aval de l'un des volets ( 20) LA encore, d'autres volets ( 23 a) constituent des plaques d'obturation qui ferment les inters- tices entre volets adjacents ( 23) Les plaques d'obturation ( 23 a) sont reliées de façon pivotante A leur extrémité amont, A l'extrémité aval des volets ( 20 a) Lea volets ( 23 a) sont munis de galets ( 24) fixés sur une bride du volet ( 23 a) et faisant saillie au travers de l'interstice entre volets adja- cents ( 23) Les galets ( 24) sont en contact avec la surface externe des volets adjacents et empêchent A la fois les pla- ques d'obturation ( 23 a) et les plaques d'obturation ( 20 a) de tomber vers l'intérieur Les extrémités aval des volets ( 23) et ( 23 a) sont montées de manière A glisser par rapport A l'ex- trémité aval de l'enveloppe ( 25). Une enveloppe ( 25) mobile axialement est prévue A l'aval du conduit ( 13) Une ouverture d'entrée d'air (ou des ouver- tures)( 26) est prévue A l'extrémité aval du conduit ( 19) L'ou- verture peut s'étendre autour de la totalité de la circonfé- rence du conduit ( 13) ou seulement sur une partie. Les volets ( 20) et ( 20 a) sont munis de moyens tels qu'un anneau de raccord ( 27) et de bielles ( 28) actionnées par des vérins A vis ( 29) de manière A pouvoir être entraînées en ro- tation autour de leurs pivots indépendamment du mouvement de l'enveloppe ( 25) On pourrait utiliser d'autres moyens pour actionner les volets ( 20) et ( 20 a). Tous les volets ( 23), ou du moins une partie d'entre eux, sont munis d'ouvertures ( 29) ferméles par des portes ( 30) Les portes ( 30) sont des volets fixls de façon pivotante à leur extrémité amont sur le même axe de fixation et de pivotement que son second volet ( 23) considéré sur les premiers volets ( 20) Sur chaque porte ( 30) est fixée, de façon pivotante, une bielle télescopique ( 31) et coulissant dans une fente ( 32) pratiquéle dans la porte Les bielles ( 31) sont fixfies de façon pivotante sur l'enveloppe ( 25). En fonctionnement, quand il s'agit d'un mode à sec, l'en- veloppe ( 25) est déplacée vers l'arrière et les volets ( 20), ( 20 a) sont réglés pour définir une convergence de la tuyère selon une section de col minimale Dans cette position qui est représentée à la partie supérieure de la figure 2, les volets ( 23), ( 23 a) définissent une partie largement divergente On choisit la longueur des bielles ( 31) de maniè&re à maintenir toutes les portes ( 30) ouvertes lorsque l'enveloppe ( 25) est située le plus a l'arrière et lorsque les volets ( 20) ainsi que les portes ( 30) définissent le col de section minimale. Dans cette position de l'enveloppe ( 25), l'entr&e ( 26) est ouverte et l'air ambiant pénètre dans le vide existant entre l'enveloppe ( 25) et les volets ( 20, 23) et s'échappe en pae- sant par les interstices formés par les portes ouvertes ( 30). Ceci réduit les émissions infrarouges du Jet des gaz d'4 chap- pement En outre, les portes ( 30) constituent un obstacle am- pêchant de voir directement les turbines chaudes par l'arrière du moteur. Pour fonctionner sur le mode de réchauffage, les volets ( 20) sont déplacés pour définir une zone préSélectionn&e du col qui est plus importante que la zone nécessaire pour un mode à sec subsonique, et l'enveloppe ( 25) est simultanément avancée L'enveloppe ( 25) ferme louverture ( 26) et les vo- lets ( 20) et ( 23) définissent une tuyère convergente et diver- gente Les portes ( 30) sont maintenues fermées par les bielles ( 31). Quand il s'agit de conditions de croisière supersonique, on constitue une tuyère convergente-divergente en retenant l'enveloppe ( 25) dans sa position la plus à l'avant et en faisant tourner les volets ( 20) pour définir la même section de col que celle qui serait nécessaire pour le mode à sec et subsonique Ce mouvement tire les extrémités amont des volets ( 23) vers l'intérieur en vue de définir en aval du col une partie de la tuyère plus divergente que celle qui est néces- saire lors de la réchauffe LA encore, les portes ( 30) sont maintenues en position fermée par les bielles ( 31). Quand il s'agit de la tuyère représentée à la figure 2, et dans le mode à sec, les portes ( 30) de l'éjecteur sont ou- vertes Pour un mode à sec, et les portes ( 30) n'étant pas ouvertes, on peut modifier la tuyère de la figure 2 comme re- présenté à la figure 3 Si on se réfère à la figure 3, les volets ( 23)ne sont pas reliés à l'enveloppe externe ( 25) à leurs extrémités aval Par contre, on détermine l'état des volets ( 23) au moyen d'un mécanisme tendeur d'arceaux ( 32) du type représenté à la figure 7 Le mécanisme tendeur d'ar- ceaux ( 32) comprend une série de bielles ( 33) et de leviers coudés ( 34) interconnectés et actionnés par un ou plusieurs moteurs ( 35) Comme le montre la figure 3, l'enveloppe ( 25) est transférée vers l'arrière de manière a ouvrir les en- trées d'air, les volets ( 20) sont disposés de manière à défi- nir la section de col appropriée, et les moyens tendeurs d'ar- ceaux ( 32) sont actionnés pour déplacer les volets ( 23) vers une position o ils définissent une configuration parallèle à l'aval du col. Si l'on se réfère aux figures 4 à 6, celles-ci repré- sentent une tuyère qui est respectivement en mode éjecteur, en mode à sec et en mode de réchauffe Les volets ( 20) sont montés sur un organe ( 36) qui peut être fixe ou mobile axia- lement, et chaque volet ( 23) est interconnecté à l'organe ( 36) au moyen d'une entretoise ( 37) montée de façon pivotante. Dans le cas o l'organe ( 36) est fixe, un dispositif de manoeuvre semblable à l'anneau de liaison ( 27), aux poussoirs ( 28) et aux moteurs ( 29) représentés à la figure 2 est prévu pour faire tourner les volets ( 20) autour de leurs pivots montés sur l'organe ( 36) Il en résulte le réglage de l'état des volets ( 23) qui les amène à basculer autour des extrémités des entretoises ( 37). Dans le cas o l'organe ( 36) est mobile en direction axiale, il est prévu des cames fixes ( 38) sur lesquelles cir- culent des galets suiveurs ( 39), de manière que le mouvement axial de l'organe ( 36) fasse tourner les volets ( 20) autour de leurs pivots montés sur l'organe ( 36), comme représenté aux figures 4 à 6. Dans les deux cas, le mouvement axial de l'enveloppe ( 25) vers l'arrière, par rapport au point du pivot de fixation des volets ( 20) sur l'organe ( 36), amène les bielles ( 31) à pousser et ouvrir les portes ( 30) Les bielles ( 31) sont té- lescopiques et sollicitées de manière à se déployer et à sol- liciter de ce fait la porte en position fermée lorsque l'en- veloppe ( 25) est a l'avant. L'enveloppe ( 25) comprend plusieurs volets pivotants ( 40) montés à leurs extrémités amont sur un anneau ( 41) de diamètre fixe, et de façon pivotante et coulissante a leurs extrémités aval sur les extrémités aval des volets ( 23). REVENDICATIONS - 1 Tuyère pour moteur d'avion à turbine à gas, carac- térisée en ce qu'elle comprend des conduits interne ( 16) et externe ( 19) , espacés, une ou plusieurs ouvertures d'entrée d'air disposées à l'extrémité aval du conduit externe, une enveloppe mobile ( 25) s'étendant en aval du conduit externe, une série circonférentielle de premiers volets ( 20) dont chacun est fixé de façon pivotante sur le conduit interne ( 16), un' série circonférentielle de seconds volets ( 23) dont chacun est fixé de façon pivotante à l'extrémité aval de l'un des premiers volets ( 20), et qui est en contact par glissement à son extrémité aval avec l'enveloppe ( 25), une série de seconds volets ( 23) comprenant une ouverture ( 29), et une porte ( 30) dans chaque ouverture, chacune des portes ( 30) étant fixée de façon pivotante à son extrémité amont dans une région adjacente à l'extrémité amont des seconds volets ( 23), une série de bielles ( 31) dont chacune est fixée de fa- çon pivotante à une extrémité à l'enveloppe ( 25) et de fa- çon pivotante à son autre extréimité à l'une des portes ( 30), des premiers moyens de manoeuvre pouvant agir sur les pre- miers volets ( 20) pour les faire tourner à l'unisson autour de leurs pivots de fixation sur le conduit interne, définis- saÉt ainsi un col convergent de ladite tuyère, et, déplacer simultanément les extrémités amont des seconds volets ( 23) et des seconds moyens de manoeuvre pouvant agir sur l'envelop- pe ( 25) de manière à déplacer cette enveloppe vers ou à par- tir de la première position o l'enveloppe ( 25) obture la ou lesdites ouvertures d'entrée, vers ou à partir d'une seconde position à l'aval de la première position o l'enveloppe dé- couvre la ou lesdites ouvertures d'entrée et amène simulta- nément lesdites bielles ( 31) à pousser les portes ( 30) et à les ouvrir en vue de former une région de mélange à l'aval du col, l'air pénétrant par la ou les ouvertures d'entrées d'air et les ouvertures des seconds volets se mélangeant avec les gaz chauds qui traversent le col de la tuyère. 2 Tuyère selon la revendication 1, caractérisée en ce que les portes ( 30) sont fixées de façon pivotante au bord amont du second volet ( 23). seme TOTOJ 4 sep TWAV qiTuqj 4 xeèT v TVAV 94 T"j 4 xe inel y 94 UV 40 A Td uobvj op *GXTJ 4 uos (ça) "e T -o.& spuooos sol oub o* ue qe eddole Aue#T op:u O um OTI Javd UT 6 T y 04 UV 40 A Td uob*J op 89 XTJ (Oj) "e TOA gem T"Toj 4 sins Ten Td puaidwoo eddo TAue T op Tv Av e Tqivd aun&nb oo ue &eoneao 49 enb T ipu T Tú* 4 uoum el::Ijvd eun puoadmoo ( V) eddo Te &ue T enb ea us 41 UOT 4 vo Tpue &Oa UT UOTOU ajaxul sje A aeq= 4 op jeqoed oi -1 " sel 49 uo Tle-m 4 qo 4 P voubv Td sel a Tuelai inod en Aeid jmv 4 a (tg) vuecom sep 494 ueovçpv 94910 & si 4 ue se O T:s Ja 4 u T sol 4 uem -Jej Tub uo T-4 vim 4 qop sonbuld sep -luen 4 Tqsuoo 40 siueouppv (CE 40 z) SISTOA sel lUOMOUV Aeqo 940 TOA SPU 00 es op 40 q Je Tmeid op e Tage enbvq* op (v CZ àv OZ) vile To A spuo 3 es sel enb eo - ue 'z UOT 4 vo Tpue &Oa UT u O TOS eae úU *(OZ) 940 TOA ujTmoid sep Iv Av paoq no 94 uv 4 o A Td uobvj op soex Tj 4 uos (OC) se 4 aod sel enb eo ue oi)g Tja 4 ovjvo 41 UOTILVOTPUOAOJ VT UOTOS Qjextu OC 1 1