Brevet FR2569232A1 — publié le 19860221

Tuyère d'échappement orientable pour turbomachine à gaz La présente invention concerne des tuyères d'éjection orientables pour turbomachines à gaz, c'est-à-dire des tuyè- res de propulsion pouvant être dirigées sélectivement dans des directions prédéterminées par rapport au reste du moteur pour produire une force propulsive dans des directions sélec- tionnées. Un exemple d'une turbomachine à gaz comprenant des tuyères d'éjection orientable est l'aéromoteur à turbine à gaz Pega- sus de ROLLS-ROYCE LIMITED qui a été conçu pour l'avion Harrier Jump Jet AV8A et AV8B. Le moteur Pegasus, tel qu'il a été conçu pour l'avion sus- mentionné, comprend une turbomachine à gaz du type à dériva- tion dans laquelle une partie de l'air de dérivation est déchargée par deux tuyères d'éjection orientables et une par- tie est envoyée au moteur principal pour entraîner la turbine et obtenir la force propulsive. Les gaz d'éjection chauds provenant de la turbine sont envoyés par une tuyère bifurquée vers deux tuyères d'éjection "chaudes" orientables. En faisant tourner les tuyères d'éjection depuis une position pointant vers l'arrière vers une position pointant vers le bas, la poussée produite par les tuyères d'éjection peut être dirigée sélectivement respectivement vers l'avant en vue d'un vol vers l'avant ou vers le haut en vue d'un décollage ou d'un atterris- sage vertical. Au lieu de décharger les gaz chauds provenant des turbines du moteur par une tuyère bifurquée et de là par deux tuyères d'éjection orientables, il est connu de n'utiliser qu'une unique tuyère qui peut diriger la poussée sélectivement dans des directions prédéterminées. La tuyère d'éjection taillée en oblique est un modèle four- nissant une poussée orientable, mais pour orienter la poussée depuis une direction vers le haut vers une direction vers l'avant dans un plan unique, il est nécessaire d'entraîner divers composants de la tuyère à des vitesses différentes qui varient pendant la rotation. La présente invention vise à proposer une tuyère d'échap- pement orientable pour une turbomachine à gaz qui maintient la poussée dans un plan unique pendant l'orientation au moyen d'un train d'engrenages épicycloidal à rapport de dé- multiplcation variable. A cet effet, elle concerne une tuyère du type comprenant: - un premier conduit, - un second conduit rotatif comprenant une extrémité amont sensiblement parallèle à l'extrémité aval du premier conduit, - des premiers moyens à palier pour fixer l'extrémité aval du premier conduit à l'extrémité amont du second conduit pour permettre au second conduit de tourner autour d'un axe longi- tudinal perpendiculaire au plan des premiers moyens à palier, le second conduit se terminant à une extrémité aval dans un plan situé en formant un angle aigu tC avec l'axe longitudinal, - un troisième conduit rotatif comprenant une extrémité amont sensiblement parallèle à l'extrémité aval du second conduit et se terminant par un orifice par lequel sort le courant de gaz d'échappement, - des seconds moyens à palier pour fixer l'extrémité aval du second conduit à l'extrémité amont du troisième conduit pour permettre au troisième conduit de tourner autour d'un axe perpendiculaire au plan des seconds moyens à palier, - des moyens d'actionnement pour faire tourner le second conduit. Selon l'inventiondes moyens de transmission comprenant un train d'engrenages épicycloidal monté sur et pouvant tourner avec le second conduit sont prévus et comprennent un premier organe d'entrée apte à entraîner le train d'engrenages épicy- cloidal, quand le second conduit est entraîné en rotation des premiers moyens de coopération comprenant un organe fixé au premier conduit et apte à entraîner le premier organe d'entrée, un organe de sortie apte à être entraîné par le train d'engrenages épicycloidal, des seconds moyens de coopé- ration comprenant un organe fixé au troisième conduit apte à être entraîné par l'organe de sortie et de ce fait, à faire tourner le troisième conduit dans un sens opposé à la rotation du second conduit et simultanément à ce dernier, et des troisièmes moyens de coopération pouvant agir sur un second organe d'entrée et aptes également à entraîner le train d'engrenages épicycloidal, et donc de modifier le rap- port de démultiplication entre le premier organe d'entrée et l'organe de sortie, en fonction d'un angle 6, sur lequel le second conduit est tourné par les moyens d'actionnement. La présente invention sera maintenant décrite à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés dans-lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une vue en plan d'une turbomachine à gaz équipée d'une tuyère d'éjection ar- rière orientable selon la présente invention; - la figure 2 est une vue latérale montrant plus en détail la tuyère arrière de la figure 1; - la figure 3 montre les parties opérationnelles concernées de la tuyère de la figure 2; - la figure 4 est une vue schématique de certaines des par- ties opérationnelles concernées de la tuyère de la figure 2 - la figure 5a montre la tuyère, vue le long de l'axe du moteur à partir de l'arrière de ce moteur, dans une position dans laquelle le jet d'éjection est dirigé vers le bas; - la figure 5b montre la tuyère de la figure 5a après rota- tion de manière que le jet d'éjection soit dirigé dans une direction située à l'extérieur de l'unique plan de l'orien- tation; - la figure 5c montre la tuyère de la figure 5b dans le cas o le jet d'éjection a été ramené dans le plan de l'orien- tation, mais dans le cas o une composante du jet d'éjection pointe désormais vers l'arrière; - la figure 5d est une vue perpendiculaire au plan du palier 26; - la figure 5e est vue en direction de la flèche A de la figure 5d - la figure 6 est une autre vue en direction de la flèche A de la figure 5d; *Si l'on se réfère à la figure 1, celle-ci représente un aéromoteur à turbine à gaz (10) du type à dérivation. Le mo- teur comprend, en série, un compresseur basse pression à cou- rant axial (11), un compresseur haute pression à courant axial (12Y, une chambre de combustion (13), une turbine haute pres- sion (14) qui entraîne le compresseur HP (12), une turbine basse pression (15) qui entraîne le compresseur BP (11), une tuyère (16) se terminant par une tuyère d'éjection orientable (17), constitutée selon la présente invention. Le compresseur BP (11) envoie de l'air sous pression au compresseur HP (12) et à une chambre de tranquillisation (18) qui fait partie du conduit de dérivation (19) et qui se ter- mine par deux tuyères d'éjection orientables (20). Si l'on se réfère maintenant aux figures 2, 3 et 4, la tuyè- re d'éjection (17) comprend un premier conduit fixe (21) et deux conduits rotatifs (22, 23). Le second conduit (22) est monté dans des paliers (24) de manière à tourner autour de son axe longitudinal et il est tronçonné en oblique à son autre extrémité. Ceci signifie que son extrémité est située dans un plan formant un angle aigu avec l'axe longitudinal (25) du second conduit (22). Le troisième conduit (23) est tronçon- né en oblique de façon similaire, de manière que son extrémité adjacente au second conduit (22) soit parallèle à l'extrémité du second conduit. Le troisième conduit (23) est monté dans des paliers (26) de manière à tourner autour d'un axe (27) qui est toujours perpendiculaire au plan du joint situé entre les second et troisième conduits (22, 23). Le conduit -(22) a une forme en section transversale circu- laire dans le plan des paliers (24) et dans 1l plan du joint entre les conduits (22, 23). De manière similaire, le conduit (23) est de section transversale circulaire dans le plan du joint situé entre les conduits (22, 23) et sa sortie peut être de forme circulaire, polygonale ou rectangulaire. On prévoit deux crémaillères (28, 29). Une première crémail- lère (28) est fixée au premier conduit fixe (21) et est paral4 lèle au plan du palier (24) et la seconde crémaillère (29) est fixée au troisième conduit (23) et est parallèle au joint situé entre les second. et troisième conduits (22, 23). Un train d'engrenages épicycloidal (30) est monté sur le second conduit (22) de manière à tourner avec le conduit. Le train d'engrenages épicycloidal (30) comprend deux entrées: l'une provenant du pignon d'entrée (31) qui engrène avec la première crémaillère (28), l'autre dû à la rotation d'une couronne dentée (32), au moyen d'un suiveur de came (33) et d'une came (34). Le pignon d'entrée (31) est monté sur un arbre (35) et ce pignon (31) supporte une cage (36) sur laquel- le est monté un ensemble de pignons satellites (37). Concen- triquement au premier arbre (35), est prévu un second arbre (38) supportant à une extrémité, un pignon soleil (39) engre- nant avec les pignons satellites (37) et à l'autre extrémité un pignon de sortie conique (40) en prise avec la seconde crémaillère (29). Un agencement différent consisterait à fixer le suiveur de came (33) à la cage (36) et à fixer le pignon d'entrée (31) à la couronne (32). Si l'on utilisait un agencement de ce type, le pignon (31) pourrait être également monté sur le côté exté- rieur de la couronne (32), de manière à réduire le poids. Le second conduit (22) est entraîné en rotation autour de l'axe (25) par des moyens quelconques pouvant comprendre un moteur pneumatique ou une boîte à engrenages (41), entraînée par une prise de puissance accessoire du moteur qui entraîne un arbre, comprenant un pignon (42) monté à son extrémité et en prise avec une crémaillère (43). Le mouvement du train d'engrenages épicycloidal (30), qui est rigidement monté sur le second conduit (22), par rapport au premier conduit (21), amène le pignon d'entrée (31) à tourner, et de ce fait, égale- ment la cage (36). Si l'on suppose que la couronne (32) est fixe (elle ne l'est pas dans la pratique), le mouvement de la cage (36) permet aux pignons satellites de tourner autour de l'arbre (38) du pignon soleil et de tourner également autour de leurs propres axes, ce qui amène le pignon soleil (39) à tourner. La rotation du pignon soleil (39), et de ce fait du pignon de sortie coni- que (40), fait tourner le troisième conduit (23) dans le sens opposé par rapport au second conduit (22), et à une plus grande vitesse angulaire. Il est nécessaire de modifier le rapport de démultiplication entre le pignon d'entrée (31) et le pignon de sortie (40), pen- dant leur rotation de manière à maintenir la direction du jet d'éjection dans un unique plan vertical. Lorsque le second conduit (22) tourne par rapport au premier conduit, l'action du suiveur de came (33) provoque la rotation de la couronne (32) par rapport au mouvement des pignons satellites (37), ce qui permet de modifier le taux de démultiplication entre le pignon (31) et le pignon (40). Quand la tuyère d'éjection est en position de poussée vers l'avant, elle est aménagée de manière que le plan du joint situé entre les conduits (22) et (23) soit vertical, mais lorsqu'on le regarde par le haut, soit disposé obliquement par rapport à l'axe (25) de manière que les axes longitudinaux de tous les conduits (21; 22, 23) soient situés en ligne droite lorsqu'on les regarde par le haut. En faisant tourner le se- cond conduit (22) sur 90 par rapport au premier conduit (21), tout en faisant tourner simultanément le troisième conduit (23) sur 180 par rapport au second conduit, mais dans le sens oppo- sé à la rotation du second conduit (22), on constate les mou- vements qui suivent. Le joint situé entre les second et troi- sième conduits (22, 23) est amené dans un plan qui, quand on le regarde par le côté de la tuyère, est disposé obliquement par rapport à l'axe (25) , et l'axe longitudinal du troisième conduit (23) est effectivement déplacé dans un plan vertical dans une position o il est situé, en formant un angle avec l'axe (25) quand on le regarde par le côté. Dans cette posi- tion, la sortie de la tuyère est pointée vers le bas. Le profil de la came (34) doit être tel que la couronne (32) tourne pour maintenir un rapport de démultiplication entre le pignon d'entrée (31) et le pignon de sortie (40), assurant le maintien de la poussée dans un plan vertical. Le mouvement du second conduit (22) et du troisième conduit (23) peut être déterminé à partir d'une formule pour un angle de sectionnement en oblique donné. Si l'on se réfère à la figure 5a, on considère un point (P) situé sur une circonférence du troisième conduit (23) adjacent au palier (26). Dans la position de départ de la figure 5a, le point (P) est dans un plan défini par la ligne Z-Z et l'axe (25) (connu de ce fait en tant que plan d'orientation) au point le plus haut du troisième conduit (23). Si ce troisième conduit (23) est alors tourné sur un angle i, mesuré dans le plan du palier (26), autour de l'axe (27), par rapport au con- duit fixe, on atteint la position montrée à la figure 5b. Pour ramener la direction du jet d'éjection dans le plan d'orientation, le second conduit (22) est alors tourné sur un angle ( invention, toutes les rotations ont lieu simultanément. Quand on passe de la position montrée à la figure 5a à celle montrée à la figure 5c, le point (P) a désormais tourné d'un angle réduit allant de S à du fait de la rotation du second conduit (22) supporté par le troisième conduit (23), dans un sens opposé à la rotation d'origine du troisième conduit (23). On peut voir sur la figure 5c qu'un point (N), situé dans le plan du palier (24), qui tourn9 avec le second conduit (22) et est disposé à l'origine dans le plan d'orientation, a été tour- né sur un angle 6 tel que ses coordonnées sont a et b partant 8 2569 de l'intersection des axes (25) et (27).- Des figures 5d et 5e tan 8 = i 1 b sin t = R 2 cos 3 sin _ = b 4 y o = angle du sectionnement et R est le rayon du troisième conduit. Le point P a été infléchi vers la gauche sur une distance x, à une distance y sino depuis l'intersection de l'axe (25) et de l'axe (27) dans un plan parallèle au plan du palier (24). Bien que la distance x ne soit pas finalement située dans un plan parallèle au plan du palier (24), la déflexion d'origine, x (que doit contrecarrer la rotation du second palier (22), est dans un plan parallèle à celui du palier (24). Pour maintenir la direction du jet d'éjection dans le plan d'orientation, la déflexion du point N vers la droite doit être égale à la dé--- flexion du point P vers la gauche, de la même distance le long de la ligne (27), dans un plan parallèle au plan du palier (24). Donc, a doit être égal à x. Si l'on substitue les équations 2, 3, 4 dans l'équation 1, on obtient: tan e = tan 5 La connaissance du rapport entre e et P permet de déterminer la forme de la came (34) après avoir choisi les divers rapports entre les engrenages du train d'engrenages épicycloidal (30). Il est également possible d'utiliser la came (34) pour établir une compensation si les seuls rapports d'engrenages disponi- bles ne constituent pas le choix optimal. On notera que le troisième conduit a tourné d'un angle de 2 P par rapport au second conduit. Le rapport entre l'angle de sectionnementL, l'angle P et l'angle selon lequel la tuyère est positionnée est évalué ci- dessous. Si on se réfère à la figure 6, cos a = 6 R ou L est la distance le long de l'axe (25) à partir de l'in- tersection de l'axe (27) et de l'axe (25) jusqu'au bord du palier (26) qui est le plus éloigné du palier (24). c = R sin À - R cos P sin c 7 o C est la différence en hauteur entre la position du point P lorsque la tuyère a été tournée d'un certain angle et les second et troisième conduits (22, 23) ont été tournés de ma- nière que la poussée soit maintenue dans son plan vertical d'origine, et la position du point P après seulement la rota- tion initiale du troisième conduit sur l'angle L1 = R cos - 8 o L est la distance depuis l'intersection de l'axe (27) et l'axe (25) jusqu'au point le plus haut du palier (26) après la rotation des second et troisième conduits (22, 23) pour orienter la tuyère comme décrit ci-dessus. On a également: L1 cos = R 9 O = + et V = l'angle selon lequel les gaz d'éjection provenant de la tuyère ont été dirigés depuis la position dans laquelle les gaz d'éjection étaient dirigés vers le bas (figure 5a) vers une seconde position dans laquelleune cbmposinte:du jet.d'éjection est diriqée vers l'arrière (figure 5c). Si l'on substitue l'équation 8 dans l'équation 9: co R Cos O c os -R R tani cos =cos O R sin O - R cos A sino Cos = Cos R tanod (utilisant l'équation 7) Cos e = cos a - cos d + cos c os Cos " = Cos Cos d REVENDICATIONS 1. Tuyère d'échappement orientable (17) pour une turboma- chine à gaz comprenant: un premier conduit (21), un second conduit rotatif (22) comprenant une extrémité amont sensiblement parallèle à l'extrémité aval du premier conduit, des premiers moyens à palier (24) pour fixer l'extrémité aval du premier conduit à l'extrémité amont du second conduit (22) pour permettre au second conduit de tourner autour d'un axe longitudinal (25) perpendiculaire au plan des premiers moyens à palier, le second conduit se terminant à une extré- mité aval dans un plan situé en formant un angle aigu i avec l'axe longitudinal, un troisième conduit rotatif (23) comprenant une extrémité amont sensiblement parallèle à l'extrémité aval du second conduit (22) et se terminant par un orifice par lequel sort le courant de gaz d'échappement, des seconds moyens à palier (26) pour fixer l'extrémité aval du second conduit (22) à l'extrémité amont du troisième conduit pour permettre au troisième conduit de tourner autour d'un axe perpendiculaire au plan des seconds moyens à palier, des moyens d'actionnement (40, 42, 43) pour faire tourner.- le second conduit (22), caractérisé en ce que des moyens de transmission (30) com- prenant un train d'engrenages épicycloidal monté sur et pou- vant tourner avec le second conduit sont prévus et comprennent un premier organe d'entrée apte à entraîner le train d'engre- nages épicycloidal quand le second conduit est entraîné en rotation, des premiers moyens de coopération (28, 31) compre- nant un organe fixé au premier conduit et apte à entraîner le premier organe d'entrée, un organe de sortie (39) apte à être entraîné par le train d'engrenages épicycloidal, des seconds moyens de coopération (29, 40) comprenant un organe fixé au troisième conduit apte à être entraîné par l'organe de sortie et de ce fait, à faire tourner le troisième conduit dans un sens opposé à la rotation du second conduit (22) et simultanément à ce dernier, et des troisièmes moyens de coo- pération (33, 34) pouvant agir sur un second organe d'entrée et aptes également à entraîner le train d'engrenages épicy- cloidal et donc modifier le rapport de démultiplication entre le premier organe d'entrée et l'organe de sortie (39), en fonction d'un angle, 8, sur lequel le second conduit (22) est tourné par les moyens d'actionnement (40, 42, 43). 2. Tuyère selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tuyère est apte à diriger le courant de gaz d'échappement A, selon un angle V, à partir d'une première position de dé- flexion maximale du courant de gaz d'échappement qui est éloignée de l'axe longitudinal (25) du second conduit (22), vers une seconde position par rotation du second conduit sur un angle, e, par rapport au premier conduit (21) et par ro- tation du troisième conduit (23) sur un angle, P, par rapport au premier conduit et selon le rapport: tan - tan P sin 3. Tuyère selon la revendication 2, caractérisée en ce que la tuyère est en outre apte à infléchir le courant de gaz d'échappement selon le rapport: A cos (V/2 +) = cos P cosa 4. Tuyère selon la revendication 1 ou 3, caractérisée en ce que les troisièmes moyens de coopération comprennent un suiveur de came (33) apte à venir en engagement avec une piste de came (34) s'étendant circonférentiellement au moins en par- tie sur le pourtour et est monté sur le premier conduit (21). 5. Tuyère selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de transmission (30) comprennent en outre un pi- gnon soleil (39) constituant l'organe de sortie, un ensemble de pignons satellites (37), engrenant avec le pignon soleil (39), une structure de cage rotative (36) sur laquelle sont montés de façon rotative, les pignons satellites (37), la structure de cage (36) étant le premier organe d'entrée, et une couronne d'entrée (32) constituant le second organe d'entrée auquel est fixé le suiveur de came. 6. Tuyère selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de transmission comprennent, en outre, un pignon soleil (39) constituant l'organe de sortie, un ensemble de pignons satellites (37) en prise avec le pignon soleil (39), une structure de cage rotative (36) sur laquelle les pignons satellites (37) sont montés de façon rotative, la structure de cage (36) constituant le second organe d'entrée et étant fixée au suiveur de came (33), et une couronne d'entrée (32), constituant le premier organe d'entrée qui est en prise avec les pignons satellites (37). 7. Tuyère selon l'une quelconque des revendications 1, 5 et 6, caractérisée en ce que les premiers moyens de coopération comprennent un pignon (31) endengagement avec une crémaillère (28), s'étendant circonférentiellement au moins sur une par- tie du pourtour. du premier conduit (21) et est fixée à ce dernier, et les troisièmes moyens de coopération comprennent un second pignon (40) qui est en prise avec une seconde cré- maillère (29), s'étendant circonférentiellement sur une partie au moins du pourtour du troisième conduit (23) et est reliée à ce dernier. 8. Tuyère selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'actionnement comprennent des moyens à moteur (40) aptes à faire tourner un pignon (42) en prise avec une cré- maillère (43) s'étendant circonférentiellement sur au moins une partie du pourtour du second conduit (22) et est reliée à ce dernier. 9. Tuyère selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'extrémité aval du second conduit est de section transver- sale circulaire, quand on la regarde dans une direction per- pendiculaire au plan dans laquelle elle se termine, et l'extré- mité amont du troisième conduit est également de section trans- versale circulaire quand on la regarde dans une direction per- pendiculaire au plan dans laquelle elle se termine.