Brevet FR2597157A1 — publié le 19871016

MELANGEUR DE FLUX MULTILOBE A SECTION D'ECOULEMENT VARIABLE POUR TURBOREACTEURS DOUBLE FLUX OU MULTIFLUX La présente invention concerne le domaine des mélangeurs de flux utilisés sur les turboréacteurs double-flux ou multiflux au droit de la confluence et en particulier des mélangeurs à lobes. On sait que de façon générale dans un turboréacteur multiflux, l'apport du flux froid et son mélange avec le flux chaud apporte un accroissement de la poussée et une amélioration de la consommation spécifique, notamment sur les moteurs à fort taux de dilution. On sait d'autre part qu'un des problèmes rencontrés par les motoristes est la diminution du bruit engendré par les moteurs à réaction en fonctionnement. Une des solutions à ce problème passe par la diminution du bruit de jet, qui résulte de la pression extrêmement élevée et des différences de vitesses entre les particules d'air du flux chaud et celles du flux froid, de même qu'en aval, des différences de vitesses des particules d'air du jet et de l'atmosphère qui l'entoure, ainsi que de l'action de cisaillement entre ces fluides. Pour résoudre ces différents problèmes, on a déjà réalisé des mélangeurs de flux à section fixe soit au niveau de la confluence des flux froid et chaud, soit au niveau de la section de sortie du jet dans l'atmosphère. Les brevets FR 2 515 735, GB 2 146 702 et FR 2 210 719 en montrent divers types de réalisation. On a également réalisé des mélangeurs de flux réducteurs de bruit, effaçables lorsqu'ils n'ont pas à être utilisés tels que celui proposé dans le brevet US 4 422 524 qui décrit un mélangeur à lobes mobiles de section carrée intercalés avec des lobes à section trapézoldale fixes d'une structure complexe et difficilement réalisable. Le brevet FR 1 597 059 propose également un mélangeur de flux de tuyère de sortie possédant des volets repliables en accordéon et poussés longitudinalement dans le canal d'éjection à l'intérieur duquel ils se déploient radialement sous la seule force des gaz d'échappement. Un tel dispositif ne possède pas une commande positive de son action car, une fois placé dans le canal, on ne peut contrôler le bon déploiement radial de tous les volets, ni sur le plan de la régularité et de la symétrie du déploiement, ni sur le plan de l'amplitude radiale de celui-ci puisque seul le jet d'air actionne le déploiement. Dans le cas des moteurs multiflux à faible taux de dilution mais équipés d'un système de post-combustion, le mélangeur de flux apporte d'autres avantages également importants. En effet sur ces moteurs, l'obtention d'un bon mélange des flux est particulièrement critique, car de l'homogé- néité des températures et des pressions au droit du front de flamme de la post-combustion dépendent la qualité de la combustion et la stabilité de la flamme. En revanche, la présence du mélangeur crée dans le canal des pertes de charge qui peuvent être préjudiciables au bon fonctionnement du moteur, en particulier lorsque celui-ci fonctionne à sec, c'est-à-dire post-combustion éteinte, conditions dans lesquelles, en cas d'accélération brutale, un étranglement excessif du flux est susceptible d'entrainer un pompage du compresseur. Pour remédier à cet inconvénient, I'invention propose un mélangeur à section variable de réalisation simple qui permet une meilleure optimisation de la pression totale à l'entrée du flux froid et qui, par une meilleure régularité de la carte de températures dans la zone de post-combustion permet d'obtenir une meilleure adaptation du moteur sur une plage d'utilisation plus étendue. Un autre but de l'invention est de permettre de réduire à volonté le flux froid normalement destiné à la ventilation de la tuyère et d'utiliser cette partie de débit au profit de la combustion dans la chambre de postcombustion, d'augmenter momentanément la post-combustion et d'accroitre ainsi les performances et le rendement du moteur L'invention propose donc un mélangeur de flux multilobé à section d'écoulement variable pour turboréacteur double flux ou multiflux, pour optimiser le mélange d'un flux chaud en aval de la turbine et d'un flux froid en aval de la soufflante, le mélangeur possédant en amont un contour de forme généralement circulaire coopérant avec le bord aval lui-aussi de forme générale circulaire de la virole séparant les deux flux chaud et froid et possédant en aval un contour à doubles courbures alternées. Selon l'invention, le mélangeur est constitué de surfaces élémentaires toutes de forme sensiblement triangulaire, reliées entre elles, et comportant des premières surfaces triangulaires isocèles adjacentes dont les bases sont confondues avec le bord aval circulaire de ladite virole, sur lequel elles sont articulées et des couples de secondes surfaces triangulaires, liées entre elles par leur arête commune et respectivement liées deux à deux aux arêtes se faisant face des premières surfaces triangulaires isocèles adjacentes, les secondes surfaces réalisant entre elles et avec les premières surfaces respectivement chacune des deux courbures formant le contour à doubles courbures alternées du mélangeur et celui-ci comporte des moyens de commande du déplacement radial de l'ensemble formé par les premières et les secondes surfaces, ledit moyen de commande actionnant positivement le pivotement radial des premières surfaces isocèles adjacentes. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, chaque première et chaque seconde surface élémentaire du mélangeur peut être réalisée sous la forme d'un volet plan lié au volet voisin ou au bord aval de la virole de séparation des flux par une charnière. Dans ce cas, les volets et les charnières peuvent être réalisés en alliages à base cobalt à forte teneur en nickel et en chrome. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les premières et les secondes surfaces sont des surfaces gauches formant des lobes ondulés sans discontinuités et réalisant un anneau monobloc en matériau composite, le déplacement radial du mélangeur sous l'action des moyens de commande étant permis par la seule élasticité-du matériau le composant, ce matériau pouvant être par exemple une céramique à fibres renforcées du type SiC Sic. D'autres particularités de l'invention et des exemples pratiques de réalisation seront exposés dans la suite de la présente description, en regard des planches jointes parmi lesquelles - la figure 1 montre en coupe longitudinale un moteur double flux à faible taux de dilution comportant le mélangeur selon l'invention. - la figure 2 montre également en coupe longitudinale un agrandissement de la partie A de la figure 1 représentant le premier mode de réalisation de l'invention - la figure 3 est une vue selon Fi de la figure 2 - la figure 4 est une vue selon F2 de la figure 2 - les figures 5 et 6 montrent deux variantes d'éxécution des charnières liant les volets entre eux - les figures 7 et 8 représentent le deuxième mode de réalisation du mélangeur selon l'invention, respectivement en vue arrière et en perspective. A la figure 1 a été représenté un turboréacteur double flux à faible taux de dilution comportant de façon classique un compresseur basse pression 1 débitant pour partie dans un canal de flux froid 2 et pour une autre part dans un compresseur haute pression 3 en sortie duquel l'air comprimé est chauffé dans une chambre de combustion annulaire 4 puis entraine une turbine 5. Une virole 6 sépare le flux chaud du flux froid et en aval de cette virole les deux flux sont mélangés au moyen du mélangeur 7 selon l'invention. Le moteur ici représenté comprend également un dispositif de post-combustion comportant des injecteurs ponctuels de carburant 8 délivrant du carburant sous pression dans la veine du flux chaud en amont de la confluence, et des anneaux brûleurs 9 en aval de la confluence. Le canal de post-combustion 10 est entouré d'une chemise de protection multiperforée 11 destinée à créer un espace annulaire 12 de ventilation du canal PC entre la chemise 11 et le carter 13. Une tuyère d'éjection 14 assure la sortie des gaz dans l'atmosphère. Un dispositif de régulation, non représenté sur la figure commande et contrôle notamment les débits d'injection dans la chambre de combustion et le fonctionnement de la post-combustion et commande également ainsi qu'on le verra plus loin le fonctionnement du mélangeur de l'invention selon les régimes de fonctionnement du moteur, soit à sec (PC éteinte) en accélération ou en croisière, soit en mode de post-combustion. Dans le mode de réalisation de l'invention représenté aux figures 2 à 6, le mélangeur est formé d'un anneau multilobé dont chaque lobe est réalisé au moyen de volets élémentaires triangulaires plans assemblés entre eux par des charnières. Chaque lobe comporte d'une part un premier volet triangulaire 15 isocèle dont la base 15c est confondue avec le bord aval circulaire de la virole 6 (séparant le flux chaud et le flux froid) sur laquelle il est monté pivotant par une charnière 16, et d'autre part deux seconds volets triangulaires 17, 18 articulés par leurs arêtes (respectivement 17a, 18b) au moyen de charnières 19 sur les arêtes 15a et 15b du premier volet 15. L'ensemble articulé formé d'un premier volet 15 et de deux seconds volets 17,18 réalise ainsi un lobe, chaque lobe étant lui-même articulé sur le lobe adjacent par les arêtes 17b, 18a des couples de seconds volets adjacents. Tous les lobes adjacents ainsi réunis de part en part réalisent un anneau par exemple à 12 lobes, dont le bord amont constitué des arêtes consécutives 15c des premiers volets 15 a une forme générale circulaire et dont le bord aval, formé de la suite des arêtes 17c, 18c des seconds volets 17,18 réalise un contour à doubles courbures alternées. Chaque premier volet 15 comporte une chape double 20 sur laquelle est articulée la tige 21 d'un vérin de commande 22 lui-même monté sur une chape 23 fixée à l'intérieur de la structure externe 24 enveloppant le flux secondaire.Le vérin 22 peut être du type à vis ou hydraulique, commandé par un moteur hydraulique 25 disposé à l'extérieur de la structure 24 et lui-même commandé par le dispositif de régulation. Selon les cas, on peut prévoir un vérin par volet principal ou, si les efforts subis par le mélangeur le permettent, un vérin pour deux volets principaux ou moins encore, tous les vérins étant régulièrement répartis sur la circonférence du mélangeur. Le mélangeur étant disposé à la confluence du flux chaud (environ 1200 C) et du flux froid (environ 800"C) et dans une atmosphère corrosive dûe aux gaz de combustion, on choisira pour le réaliser des matériaux ayant une bonne tenue en température et à la corrosion. Parmi ces matériaux, on pourra avantageusement choisir des superalliages à base cobalt à forte teneur en nickel et en chrome, tels que le KC 31 NW - dénomination commerciale HS 31 - pour les volets et le KC 25 NW dénomination commerciale HS 25 - pour les axes des charnières. L'usure sera plus importante sur l'alliage HS 25 donc sur les axes facilement réalisables et interchangeables à faible coût. En ce qui concerne les charnières, on pourra préférentiellement choisir des charnières du type dit "charnières à piano" qui présentent l'avantage de réunir deux fonctions de pivot et d'étanchéité. C'est ce type de charnière qui est montré aux figures 2 à 4. Dans la variante d'éxécution de la figure 5, ces mêmes charnières à piano ont été usinées du côté des volets soumis au flux froid 2, de façon à ce que les volets seuls soient soumis au flux chaud et protègent les charnières des fortes températures. Dans la variante d'éxécution de la figure 6, on a remplacé les charnières à pianos par deux charnières courtes disposées à chacune des extremités de l'arête des volets 17,18, la fonction d'étanchéité étant alors assurée entre les charnières à la jonction des volets par des tôles de recouvrement 26,27 réalisées en alliage KCN22W La (dénomination w 188). Dans le second mode de réalisation de l'invention, représenté aux figures 8 et 9, le mélangeur possède la même géométrie que dans le mode précédent mais il est réalisé en un anneau monobloc, les surfaces ôlem'entaires triangulaires étant alors des surfaces gauches toutes reliées entre elles et formant des lobes au bord amont circulaire fixé sur la virole 6 et au bord aval formant des lobes ondulés sans discontinuités à courbures 28, 29 alternées. Une telle réalisation est permise par les matériaux composites actuellement connus et pourra avantageusement être réalisée en une céramique à fibres renforcées du type SiC-SiC. Les verins 22, identiques à ceux du mode précédent, ont alors leur tige fixée dans le même plan radial que les courbures 28 orientées vers le centre du moteur. Les mouvements d'ouverture et de fermeture du mélangeur sont alors permis par la seule élasticité du matériau composite avec lequel est réalisé le mélangeur. Dans ce second mode de réalisation, on pourra augmenter le nombre des lobes, par exemple de 12 pour le premier mode à 16 pour le second, ou plus et avoir des formes plus arrrondies afin d'optimiser la fonction mélange. Dans les deux modes de réalisation, le fonctionnement est identique et peut-être expliqué en référence de la figure 2. En régime de croisière, le mélangeur est dans la position de fermeture représentée en traits pleins à la figure 2. Il obture partiellement le flux chaud et ouvre le flux froid, réalisant la dilution maximale permise par la conception du moteur, ce qui a pour effet de réduire la consommation spécifique du moteur. En accélération rapide en fonctionnement sec, la régulation commande l'ouverture maximale du mélangeur qui passe dans la position représentée en traits discontinus d'égale longueur, où le mélange est à son plus faible taux de dilution et où le maximum du flux froid est dirigé vers l'espace annulaire 12 de ventilation du canal de post-combustion. En configuration PC, la régulation commande l'ouverture du mélangeur à une position intermédiaire représentée en traits interrompus d'inégale longueur, position dans laquelle une partie du flux, normalement destinée à la ventilation de la tuyère, est ramenée vers le canal PC pour y être mélangé au flux chaud au profit de la combustion dans le canal PC, ce qui permet d'accroitre la post-combustion et d'augmenter ainsi les performances et le rendement du moteur. Ces avantages rendent l'invention particulièremmnt utilisable sur les moteurs multiflux à missions militaires pour lesquelles la diversité des missions entraine un niveau de performances exigées de jour en jour plus élevé. REVENDICATIONS 1. - Mélangeur de flux multilobé à section d'écoulement variable pour turboréacteur double flux ou multiflux, pour optimiser le mélange d'un flux chaud en aval de la turbine et d'un flux froid en aval de la soufflante du turboréacteur, mélangeur possédant en amont un contour de forme généralement circulaire coopérant avec le bord aval de forme générale circulaire de la virole séparant les deux flux chaud et froid et possédant en aval un contour à doubles courbures alternées, caractérisé en ce qu'il est constitué de surfaces élémentaires (15,17,18) toutes de forme sensiblement triangulaire, reliées entre elles, et comportant des premières surfaces (15) triangulaires isocèles adjacentes dont les bases sont confondues avec le bord aval circulaire de ladite virole (6), sur lequel elles sont articulées et des couples (17,18) de secondes surfaces triangulaires, liées entre elles par leur arête commune et respectivement liées deux à deux aux arêtes se faisant face des premières surfaces (15) triangulaires isocèles adjacentes, les secondes surfaces (17,18) réalisant entre elles et avec les premières surfaces respectivement chacune des deux courbures formant le contour à doubles courbures alternées du mélangeur et en ce qu'il comporte des moyens de commande (22,25) du déplacement radial de l'ensemble formé par les premières et les secondes surfaces, ledit moyen de commande actionnant positivement le pivotement radial des premières surfaces isocèles adjacentes. 2. - Mélangeur de flux selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande sont constitués par des vérins (22), notamment du type hydraulique ou à vis, chaque vérin ayant sa tige (21) montée tournante sur une chape (20) solidaire d'une première surface élémentaire isocèle (15) et son corps de vérin (22) relié à une chape (23) fixée à l'intérieur de la structure externe (24) enveloppant le flux secondaire. 3. - Mélangeur de flux selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de commande sont actionnés par le dispositif de régulation du turboréacteur le comportant pour passer continuement d'une première position, en régime de croisière où le mélangeur est resserré vers son axe de symétrie pour ouvrir la section de passage du flux froid vers une seconde position, en régime d'accélération rapide ou de post-combustion où le mélangeur est écarté de son axe de symétrie pour ouvrir la section de passage du flux chaud. 4. - Mélangeur de flux selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les premières surfaces (15) et les secondes surfaces (17,18) sont des surfaces gauches formant des lobes ondulés sans discontinuités et réalisant un anneau monobloc en matériau composite, le déplacement radial du mélangeur sous l'action des moyens de commande étant permis par la seule élasticité du matériau le composant. 5. - Mélangeur de flux selon-la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est réalisé en céramique à fibres renforcées du type SiC-SiC. 6. - Mélangeur de flux selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque première surface (15) et chaque seconde surface élémentaire (17,18) est réalisée sous la forme d'un volet plan lié au volet voisin ou au bord aval de la virole (6) par une charnière (16,19). 7. - Mélangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les charnières liant les volets entre eux ou en bord aval de la virole sont des charnières du type dit "charnière à piano", réalisées du côté du volet soumis au flux froid. 8. - Mélangeur de flux selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque volet est lié au volet voisin ou au bord aval de la virole par deux charnières, chacune disposée à une extrémité du volet et en ce que chaque articulation de deux volets comporte entre les deux charnières une tôle de recouvrement (26,27) réalisant une fonction d'étanchéité entre les flux froid et chaud. 9. - Mélangeur de flux selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les volets (15,17,18) et les charnières (16,19) sont réalisées en un alliage à base cobalt à forte teneur en nickel et en chrome.