Brevet FR2578290A1 — publié le 19860905

L'invention concerne de manière générale les mo- teurs à turbne à gaz à post-combustion et, plus particuliè- rement, un procédé pour régler la pression d'écoulement du fluide de refroidissement de la chemise du système du post- combustion. Les moteurs à turbine à gaz comportent générale- ment un compresseur pour comprimer l'air s'écoulant à tra- vers le moteur, une chambre de combustion dans laquelle on mélange le combustible avec l'air comprimé et on enflamme l'ensemble pour former un courant gazeux d'énergie élevée et une turbine pour entraîner le compresseur. Un type classique de moteur à turbine à gaz pour un avion est le turboréacteur dans lequel la poussée est fournie par le courant gazeux de vitesse élevée sortant de la turbine. Un second type de moteur à turbine à gaz pour avion est la turbosoufflante dans laquelle une soufflante est montée à l'avant du compresseur et est entraînée par une deuxième turbine ou turbine de puissance montée en aval de la première turbine. La soufflante fournit un débit d'air comprimé qui est divisé en deux parties. La première partie pénètre une canalisation de dérivation extérieure pour con- tourner le générateur de gaz et la deuxième partie pénètre dans le compresseur du générateur de gaz. Un avantage d'un moteur à turbosoufflante par rapport au turboréacteur est sa capacité à déplacer une masse d'air plus importante et par là à augmenter la puissance de poussée du moteur. -2- On peut utiliser comme autre caractéristique pour augmenter la puissance de poussée d'un moteur à turbine à gaz, un système de postcombustion. Dans un moteur à turbine à gaz avec système de post-combustion, on réalise une con- duite d'éjection à l'aval de la (ou les) turbine(s). On in- jecte du combustible supplémentaire dans cette conduite d'éjection et on enflamme pour augmenter l'énergie du cou- rant gazeux. Le courant gazeux est éjecté par une tuyère d'éjection pour augmenter la puissance de poussée du moteur. Un type de moteur qui combine les caractéristiques d'une turbosoufflante et d'un moteur à post-combustion est un moteur à double flux dans lequel un flux d'air de souf- flante est mélangé avec le courant gazeux provenant du géné- rateur de gaz après la turbine mais avant le système de post-combustion. Une caractéristique des turbosoufflantes, particulièrement des turbosoufflantes à taux de dilution élevé, est leur consommation spécifique de combustible rela- tivement faible pour les vitesses subsoniques. Une caracté- ristique des turboréacteurs et des turbosoufflantes à taux de dilutation relativement faible sont leurs caractéristi- ques de poussée spécifique relativement élevées pour les vitesses supersoniques. De manière à satisfaire le besoin existant d'un avion qui puissent fonctionner efficacement sur une large gamme de vitesses supersoniques et subsoniques, on a. déve- loppé des moteurs dénommés à cycle variable. Ces moteurs à cycle variable sont caractérisés par leur capacité à modi- fier le taux de dilution du moteur pendant leur fonctionne- ment. Par exemple les brevet des Etats-Unis n 4 010 608 et 4 175 384 décrivent de tels moteurs à cycle variable. Chaque moteur à cycle variable décrit comporte une canalisation de dérivation extérieure et un injecteur de dérivation à sec- tion variable pour moduler l'écoulement à travers la canali- sation de dérivation modifiant ainsi le cycle du moteur. Le système de post-combustion dans ces moteurs à cycle variable est normalement situé à l'intérieur de la conduite d'éjection du moteur. De manière à protéger la con- duite d'éjection des températures extrêmement élevées asso- ciées avec l'écoulement de gaz à l'intérieur du système de S postcombustion, on a placé une chemise de refroidissement à l'intérieur de la conduite de manière à former une chambre de refroidissement entre la chemise et la conduite. Une par- tie de l'écoulement de dérivation peut alors être dirigée dans cette chambre pour la refroidir. Un problème fondamental posé par la conception d'une chemise de système de post-combustion est le différen- tiel de pression qui peut exister entre l'écoulement de fluide de refroidissement à l'intérieur de la chambre et l'écoulement de gaz à l'intérieur de la chemise. Le problème devient particulièrement sensible lorsque la pression à l'intérieur de la chemise chute soudainement. Par exemple, une diminution soudaine de l'écoulement de combustible vers la chambre de combuston (arrêt brutal du moteur) ralentira le générateur de gaz et diminuera la pression à l'intérieur du système de post-combustion plus vite que la pression de l'air de dérivation. Par conséquent, lors de la conception de la chemise on doit prévoir certains moyens pour empêcher la déformation interne de ladite chemise. Dans le passé, on a utilisé différentes techniques pour résoudre ce problème. Par exemple un support adéquat tel que des suspenseurs ou des accouplements a été réalisé pour maintenir la chemise à l'intérieur de la conduite. Ce- pendant, de telles solutions ajoutent une complexité et un poids supplémentaires et augmente le coût de fabrication de la chemise. Dans le brevet des Etats-Unis 3 866 417 on a décrit un autre moyen de réglage, par division de la chambre en un certain nombre de compartiments individuels avec ré- glage de l'écoulement dans chaque compartiment par des ailettes qui diminuent l'écoulement d'air et règlent la pression. Ce système est efficace mais nécessite des élé- -4 ments de structure supplémentaires pour obtenir un résultat. Une autre solution au problème est décrit dans le brevet des Etats-Unis 4 072 008 dans lequel on utilise une vanne pour réguler le débit d'air dans la chemise de système de post- combustion. Ce brevet décrit un moyen efficace de régulation de la pression dans la chambre de refroidissement. Cepen- dant, les brevets des Etats-Unis n 3 866 417 et n 4 872 008 nécessitent certaines structures supplémentaires pour la chemise qui ont pour résultat une augmentation du coût. La présente invention a pour objet de fournir un nouveau procédé perfectionné de réglage de la pression d'écoulement de fluide de refroidissement dans une chemise de système de post-combustion dans un moteur à turbine à gaz. Elle a aussi pour autre objet de réaliser un moyen peu coûteux et léger de régler la pression d'écoulement de fluide de refroidissement dans une chemise de système de post-combustion dans un moteur à turbine à gaz. Dans un de ces modes de réalisation la présente invention concerne un procédé de modulation de la pression de l'écoulement de dérivation dans un moteur à turbine à gaz à cycle variable et double flux. Le moteur est du type ayant un écoulement de dérivation et des moyens pour modifier la pression de l'écoulement de dérivation, ainsi qu'un système de postcombustion et une chemise refroidie par une partie de l'écoulement de dérivation. Le procédé consiste à détec- ter la pression P1 du fluide de refroidissement et la pression P2 dans le système de post-combustion et à modi- fier la pression de l'écoulement de dérivation en fonction de Pi, P2 ou des deux. La description qui va suivre se réfère à la figure unique qui représente une vue en coupe schématique d'un mo- teur à turbine à gaz à cycle variable et double flux mélangé comportant la présente invention. La figure représente un moteur à turbine à gaz à cycle variable et double flux mélangé 10. Le moteur 10 com- prend un générateur de gaz 12 qui comporte un compresseur 14 pour comprimer l'air s'écoulant au travers, une chambre de combustion 16 dans laquelle on mélange le combustible avec l'air pour former un courant gazeux d'énergie élevé et une turbine 18 qui extrait l'énergie du courant gazeux pour en- traîner le compresseur 14. Le générateur de gaz 12 engendre un écoulement de gaz 20. Le moteur 10 comprend en outre une soufflante avant 22 entraînée par une deuxième turbine 24 située à l'arrière de la première turbine 18. La soufflante 22 est située à l'intérieur d'une entrée d'une admission 26 et a pour effet de comprimer l'air 28 pénétrant dans l'admission 26. Une soufflante arrière 30 est située en aval de la souf- flante avant 22. La soufflante arrière 30 est entraînée par la turbine 18. Cependant, il apparaîtra clairement que l'in- vention n'est pas limitée à cette configuration et peut être entraînée par une seconde turbine 24 ou une troisième turbi- ne (non représentée). La soufflante arrière 30 comprime à nouveau l'air qui la traverse. Une canalisation de dérivation extérieure 32 en- voie un premier écoulement d'air 34 autour de la soufflante arrière 30. Une canalisation intérieure 36 envoie un deuxiè- me écoulement d'air 38 de la soufflante arrière 30 dans une canalisation de dérivation de générateur de gaz 40. De cette manière le deuxième écoulement 38 est mélangé avec le pre- mier écoulement 34 formant ainsi un écoulement de dérivation 42. Différents moyens pour modifier la pression d'écoulement de dérivation dans la canalisation de dériva- tion 40 sont représentés en 44 et 46. Selon un mode de réa- lisation de la présente invention, les moyens de modifica- tion comportent une vanne de dérivation en 46 telle que cel- le décrite dans le brevet des Etats-Unis 4 068 471. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les moyens de mo- dification peuvent comporter un injecteur de dérivation à -6- section variable comportant un distributeur à double dériva- tion en 44 et une vanne à pression statique en 46 comme dé- crit dans le brevet des Etats-Unis 4 175 384. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, le moyen de modification peut comporter en outre un injecteur de dériva- tion à section variable en 47 (un VABI arrière) qui dimin,ue efficacement la section de la canalisation de dérivation 40. D'autres moyens de modification apparaîtront à l'homme de l'art et sont compris dans le cadre de la présen- te invention. Les caractéristiques de ces moyens de modifi- cation consistent en ce que la canalisation extérieure 32 et la canalisation intérieure 36 peuvent être totalement ouver- tes créant un mode de fonctionnement en turbosoufflante, et soit la canalisation extérieure 32 soit la canalisation in- térieure 36 peut être complètement fermée tandis que l'autre est complètement ouverte créant un mode de fonctionnement en turbosouúfflante à faible taux de dilution se rapprochant ainsi d'un cycle pur de turboréacteur. En outre, le moyen de modification doit pouvoir être placé dans une position in- termédiaire pour permettre à un écoulement de dérivation 42 constitué par la somme des écoulements 34 et 38. En consé- quence une caractéristique de la présente invention est que les sections des canalisations extérieure 32 et intérieure 36 peuvent être modifiées. Une autre caractéristique du moyen de modification est que la vanne 46 peut être configu- rée de sorte qu'en modifiant la section de la canalisation 38 une modification brutale de l'aire de section droite de la canalisation 36 sera créée pour l'écoulement d'air qui la traverse. De cette manière, une chute de pression de déchar- ge aura lieu pour l'écoulement d'air 38 passant au travers. Dans le cas o l'on utilise un VABI arrière, on peut l'ou- vrir lorsque l'écoulement d'air 38 subit une chute de pres- sion de sorte que la pression de l'écoulement de dérivation est diminuée tandis que le débit demeure généralement cons- tant. -7- Un système de post-combustion 48 est situé à l'ar- rière du générateur de gaz 12 et est entouré par une con- duite d'éjection 50. Une chemise de refroidissement 52 est placée à l'intérieur de la conduite d'éjection de manière à former une chambre de refroidissement 54 entre la chemise et la conduite. Un moyen de réception 56 pour recevoir une par- tie 58 de l'écoulement de dérivation 42 dans la chambre 54 est situé à l'extrémité avant de la chemise 52. Un moyen de mélange 60 pour mélanger l'écoulement de dérivation 42 avec l'écoulement gazeux 20 est situé à l'arrière du générateur de gaz 12 et à l'avant du système de post-combustion 48. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le mélangeur est du type à géométrie variable comme décrit dans le brevet des Etats-Unis 4 069 661. Le premier moyen de détection 62 mesure la pres- sion P1 dans la chambre 54. Par exemple, le moyen de dé- tection 62 peut être constitué par un transducteur de pres- sion ou tout autre moyen bien connu de la-technique. De la même manière, un second moyen de détection 64 mesure la pression P2 dans le système de post-combustion 48. Un sys- tème de commande 66 recevra les signaux de pression P1 et P2 et enverra un signal vers le moyen de modification pour manoeuvrer les vannes en 46 et/ou 44. Si P1 est supérieur à P2 d'une valeur prédéterminée, la vanne en 46 peut être déplacée vers une position fermée. De cette manière, l'écou- lement d'air 38 provenant de la canalisation intérieure 36 vers la canalisation de dérivation 40 subira une chute de pression. Cette chute de pression diminuera P1 par rapport à P2, diminuant ainsi les forces dirigées radialement vers l'intérieur sur la chemise 52. Il est aussi possible de créer un système de com- mande qui contrôle seulement P1 ou P2. Par exemple, le système de commande 66 peut répondre aux valeurs maximum de P1 ou à des modifications soudaines des valeurs de P2. Il apparaîtra que le système de commande 66 peut aussi com- -8 mander la vanne en 44 ou les vannes 44 et 46 de manière à obtenir le réglage de la pression P1 par la modulation de la pression d'écoulement de dérivation dans la canalisation de dérivation 40. Une autre caractéristique de la présente invention est que la chute de pression de décharge créée dans la cana- lisation de dérivation avant peut avoir pour résultat une amélioration du rendement. La poussée brute est le produit du débit massique et de la vitesse d'écoulement. Dans les moteurs tels que ceux représentés à la figure unique, l'écoulement d'air est limité par le nombre de Mach maximum dans le mélangeur 60. La perte de charge créée par la vanne 46 peut avoir pour résultat une diminution de la pression totale de l'écoulement de dérivation 42. Puisque la pression totale est fonction du nombre de Mach, cela diminue aussi le nombre de Mach dans le mélangeur 60. En conséquence, la vi- tesse du moteur peut être élevée augmentant ainsi le nombre de Mach de l'écoulement de dérivation dans le mélangeur 60. La vitesse plus élevée du moteur augmente le débit dans le moteur augmentant par là la poussée. _ 9 _ REVENDICATIONS 1. Dans un moteur à turbine à gaz à cycle variable et double flux comportant un écoulement de dérivation (42) et des moyens de modification de la pression du fluide de dérivation (44, 46) et ayant un système de post-combustion (48) et une chemise (52) avec le fluide de refroidissement fourni par une partie (58) du flux de dérivation, un procédé pour moduler la pression du flux de dérivation, caractérisé en ce qu'il consiste: à détecter la pression P1 du flux de refroidis- sement et la pression P2 dans le système de post-combus- tion; et à modifier la pression du flux de dérivation en fonction de P1, P2 ou des deux. 2. Dans un moteur à turbine à gaz ayant un généra- teur de gaz (12) pour engendrer un débit de gaz (20), une soufflante avant (22) pour comprimer l'air, une soufflante arrière (30) pour comprimer à nouveau l'air évacué par la soufflante avant, une canalisation extérieure (32) pour en- voyer un premier flux d'air autour de la soufflante arrière, une canalisation intérieure (36) pour envoyer un deuxième flux d'air (38) provenant de la soufflante arrière dans une canalisation de dérivation de générateur de gaz (40) formant ainsi un flux de dérivation (42) avec le premier flux d'air, des moyens pour modifier le flux de dérivation (44, 46), un système de post-combustion (48) à l'arrière du générateur de gaz, une conduite d'éjection (50) entourant le système de post-combustion, une chemise de refroidissement (52) placée à l'intérieur de la conduite de manière à former avec cette dernière une chambre de refroidissement (54), des moyens pour recevoir une partie (58) du flux de dérivation (42) dans la chambre (54), des moyens (60) pour mélanger le flux de dérivation (42) avec le flux de gaz (20), un procédé de modulation de la pression du flux caractérisé en ce qu'il consiste: - 10 - à détecter la pression P1 dans la chambre et la pression P2 dans le système de post-combustion; et à modifier la section de la canalisation intérieu- re, de la canalisation extérieure ou des deux en fonction de P1, P2 ou des deux. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la section de la conduite intérieure, de la conduite extérieure ou des deux est modifiée en fonction de P1 moins P2. 4. Moteur à turbine à gaz caractérisé en ce qu'il comprend: - un générateur de gaz (12) pour engendrer un écoulement de gaz (20); - une soufflante avant (22) pour comprimer l'air; - une soufflante arrière (30) pour comprimer de nouveau l'air évacué par la soufflante avant; - des canalisations de dérivation extérieure (32), intérieure (36) et de générateur de gaz (40) dans lesquels la canalisation extérieure (32) envoie un premier flux d'air (34) autour de la soufflante arrière (30) dans la canalisa- tion de dérivation et la canalisation intérieure (36) envoie un deuxième flux d'air (38) provenant de la soufflante ar- rière dans la canalisation de dérivation; - un système de post-combustion (48) à l'arrière du générateur de gaz; - une conduite d'éjection (50) entourant le systè- me de post-combustion; - une chemise de refroidissement (52) placée à l'intérieur de la conduite d'éjection de manière à former avec cette dernière une chambre de refroidissement (54); - des moyens (56) pour recevoir une partie (58) de l'air du flux de dérivation (42) dans la chambre; - des moyens (60) pour mélanger le flux de déri- vation (42) avec le flux de gaz (20); - un premier moyen de détection (62) pour détecter - 11 - la pression P1 dans la chambre; - un deuxième moyen de détection (64) pour détec- ter la pression P2 dans le système de post-combustion; et - des moyens de modification (44, 46) pour moduler la pression d'écoulement dans la conduite de dérivation en fonction de P1, P2 ou des deux. 5. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de modification compor- tent des moyens (46) pour modifier la section de la canali- sation intérieure (36) et des moyens (44) pour modifier la section de la canalisation extérieure (32). 6. Moteur à turbine à gaz selon la revendication , caractérisé en ce que les moyens de modification compren- nent des moyens (47) pour modifier la section de la canali- sation de dérivation. 7. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de modification compor- tent des moyens pour créer une chute de pression dans la canalisation intérieure.