Brevet FR2602550A1 — publié le 19880212

La présente invention concerne un turbomoteur à double flux spécialement destiné à la propulsion des aéronefs et, plus particulièrement, un perfectionnement à la tuyère d'échappement d'un tel moteur. On sait qu'un turbomoteur à double flux comporte un générateur central émettant un flux de gaz chaud et un conduit annulaire de dérivation (canal de fan) entourant ledit générateur central et à travers lequel passe un flux de dérivation de gaz relativement froid provenant d'un ventilateur. De plus en plus souvent, un tel turbomoteur est équipé d'une tuyère unique qui prolonge ledit conduit annulaire vers l'extérieur au delà de l'orifice de sortie dudit générateur central et à l'intérieur de laquelle les deux flux, chaud et froid, sont librement confluents. Dans 15 une telle tuyère, dite confluente ou compound, le flux chaud du générateur central est entouré par le flux froid de dérivation en provenance du ventilateur. Puisque, à l'intérieur de la tuyère confluente, il n'existe pas de surface solide séparant les deux flux, les sections 20 finales respectives des flux à la sortie de ladite tuyère confluente commune résultent non seulement de la géométrie de celle-ci, mais également de l'équilibre des pressions le long de la surface fluide (interface) séparant les deux flux. On comprendra facilement que si, par exemple, la 25 pression du flux froid de dérivation augmente, le flux central chaud devra se comprimer radialement: ainsi, dans ce cas, la section finale annulaire du flux froid va augmenter alors que la section finale centrale du flux chaud va diminuer. Bien entendu, pour un moteur donné, ces variations de sections relatives vont dépendre des conditions de fonctionnement dudit moteur, telles que par exemple vitesse et altitude de l'aéronef et température de l'air ambiant, 2 ' 2602550 1 ainsi que de la position de la manette des gaz et elles ne coincident pas exactement avec les dimensions optimales permettant d'obtenir les meilleures performances possibles du moteur. On remarquera que, pour la plupart des utilisations, de telles variations relatives de section de flux par rapport à des sections idéales donnant les performances optimales ne sont pas trop nuisibles, car compensées en partie par la souplesse de fonctionnement des moteurs à double flux. Cependant, d'une façon générale, la poussée maximale développée par ces moteurs correspond soit à l'obtention d'une température de fonctionnement limite, soit à une vitesse de rotation limite (régime limite), ces deux limites n'étant qu'exceptionnellement concomitantes. Ainsi 15 dans le cas particulier important de la poussée au décollage par température ambiante élevée, il est courant que cette poussée soit définie par la température limite, alors que la vitesse de rotation est bien inférieure à la vitesse limite. Aussi, l'objet de la présente invention est de permettre de réaliser, de façon simple, une variation de la géométrie d'une tuyère confluente, afin que les conditions de fonctionnement du turbomoteur puissent être aussi proches que possible des conditions idéales. A cette fin, selon l'invention, le turbomoteur à double flux et à tuyère confluente, c'est-à-dire du type comportant un générateur central émettant par son orifice de sortie un flux de gaz chaud et un conduit annulaire de dérivation qui entoure ledit générateur central et à 3Q travers lequel passe un flux de dérivation de gaz relativement froid, lesdits flux de gaz étant librement 3 2602550 1 confluents à l'intérieur de ladite tuyère qui prolonge en convergeant ledit conduit annulaire au-delà de l'orifice de sortie dudit générateur central, est remarquable en ce qu'il comporte des moyens commandés permettant de faire varier, en périphérie, le passage du flux de gaz relativement froid dans ledit conduit annulaire de dérivation, en vue de compenser au moins partiellement la dégradation des performances dudit turbomoteur lorsque celles-ci sont limitées soit par la température maximale de fonctionne10 ment, soit par le régime maximal du fonctionnement, mais non par ces deux conditions simultanées. On remarquera que: 1 - Puisque lesdits moyens commandés de variation sont disposés dans le conduit annulaire de dérivation, ils ne sont soumis qu'à la température relativement faible du flux de dérivation et non pas à la température élevée du flux de gaz chaud provenant du générateur central. Leur construction peut donc être relativement légère et peu coûteuse, et leur fonctionnement est particulièrement fiable. 2 - Paradoxalement, c'est en réduisant la section géométrique de passage du flux froid que l'on obtiendra une amélioration des performances de décollage par temps chaud. On pourrait penser en effet que cette restriction diminue l'apport de gaz relativement froid et engendre une augmen25 tation générale des températures. En réalité, comme il sera montré ci-après, cette restriction du flux froid entraîne une ouverture de la section de sortie du flux chaud, laquelle entraîne l'abaissement recherché de 'a température de fonctionnement du générateur de gaz. Il sera donc 30 possible d'augmenter la vitesse de rotation jusqu'à rétablissement de la température limite, et c'est finalement cette augmentation du régime qui augmentera le débit des gaz froids ainsi que la poussée. 4 2602550 1 3 - On connaît déjà des turbomoteurs pourvus de tuyères variables. Par exemple, dans ces tuyères variables connues, des volets (appelés "pétales") sont articulés autour de l'orifice central des gaz chauds et se recouvrent plus ou moins en fonction des demandes de la régulation du turbomoteur. On notera que la solution consistant à régler directement la section centrale chaude est forcément lourde et coûteuse, puisque les organes mécaniques les constituant doivent travailler à des températures élevées, de l'ordre 10 par exemple de 500 C. Au contraire, comme cela est mentionné au point 1 ci-dessus, le dispositif de l'invention est placé dans la partie froide du moteur et ne présente donc pas ces inconvénients. Ainsi, une particularité essentielle de la présente invention est d'agir sur le flux froid seulement pour obtenir une modification des caractéristiques du flux froid et du flux chaud. De préférence, lesdits moyens de variation commandés de l'invention se trouvent au voisinage du débouché dudit 20 conduit annulaire de dérivation dans ladite tuyère confluente. Ainsi, la variation de la section de passage de l'écoulement froid est localisée au voisinage du plan auquel commence la confluence des deux flux. Bien entendu, pour pouvoir bénéficier complètement des 25 conditions d'ambiance à température modérée, il est avantageux que lesdits moyens de variation commandés soient actionnés par des moyens d'actionnement logés dans l'épaisseur de la paroi extérieure dudit conduit annulaire. Avantageusement, lesdits moyens de variation commandés sont 30 constitués par une pluralité de corps mobiles individuels, de préférence profilés, répartis à la périphérie dudit conduit annulaire de dérivation. 2602550 1 Le nombre et la dimension de ces corps individuels profilés sont adaptés à chaque cas particulier de turbomoteur et de conditions d'utilisation envisagées pour celui-ci. La commande de ces corps mobiles individuels, c'est-à-dire leur mise en place dans le conduit annulaire de dérivation ou leur effacement hors de celui-ci, peut être globale (dans ce cas ils sont tous commandés simultanément de façon identique) ou individuelle. Ils peuvent également être commandés par groupes individuels. De plus, cette commande 10 peut être contr8lée par la régulation du moteur (dans ce cas, elle est automatique) ou bien plus simplement être laissée à la discrétion du pilote de l'aéronef. Enfin, la commande de chaque corps mobile individuel peut être progressive (pour faire varier la proportion de la section 15 du conduit obturée) ou du type tout ou rien. En outre, ces corps mobiles individuels peuvent être régulièrement espacés autour de l'axe du moteur, ou bien être concentrés dans une zone circonférentielle particulière dudit conduit de dérivation. Dans un premier mode de réalisation avantageux, lesdits corps mobiles individuels sont mobiles entre une position escamotée, pour laquelle ils sont logés dans l'épaisseur de la paroi extérieure dudit conduit annulaire, et une position déployée, pour laquelle ils font saillie à l'intérieur dudit conduit annulaire. Dans ce cas, il est avantageux que lesdits corps mobiles individuels passent par rotation de l'une à l'autre de leurs positions. Une telle rotation peut être de l'ordre de 180 . Selon un second mode de réalisation avantageux, lesdits corps mobiles individuels sont mobiles entre une position escamotée, pour laquelle ils font saillie à l'intérieur de l'orifice de sortie de ladite tuyère, et une position déployée, pour laquelle ils font saillie à l'intérieur 6 2602550 1 dudit conduit annulaire. Dans ce cas, il est avantageux que lesdits corps mobiles individuels passent par translation de l'une à l'autre de leurs positions. Lorsque le perfectionnement selon l'invention est mis en 5 oeuvre en vue de remédier aux inconvénients du décollage d'un avion en ambiance surchauffée (comme mentionné ci-dessus et ci-après) lesdites positions déployée et escamotée correspondent, pour les deux modes de réalisation ci-dessus, respectivement à la position de décollage et à 10 la position de croisière dudit avion. On remarquera que, dans ledit second mode de réalisation, en position escamotée ou de croisière, lesdits corps mobiles individuels restreignent en outre partiellement la section de sortie de la tuyère confluente, permettant ainsi l'optimisation 15 complémentaire des performances du moteur en vol de croisière. Dans le cas o, de façon connue, ladite tuyère confluente comporte des moyens de mélange des flux chaud et froid constitués de convolutions pratiquées à la périphérie de la 20 tuyère d'éjection du générateur central et ménageant entre chaque paire d'entre elles un canal de guidage du gaz du flux froid vers le flux chaud, il est avantageux que, en position déployée, chacun desdits corps mobile individuels se trouve en regard d'un desdits canaux de guidage. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est une vue en coupe axiale schématique d'une tuyère confluente connue pour turbomoteur à double flux. Les figures 2 et 3 sont respectivement des coupes transversales selon les lignes II-II à III-III de la figure 1. 7 2602550 1 La figure 4 est une vue en coupe axiale schématique d'une tuyère confluente conforme à la présente invention. Les figures 5 et 6 sont respectivement des coupes transversales selon les lignes V-V et VI-VI de la figure 4. Les figures 7 et 8 illustrent, respectivement en coupes axiale et transversale partielles et schématiques, un premier mode de réalisation de l'invention, les corps mobiles de restriction étant en position escamotée. Les figures 9 et 10 illustrent, respectivement en coupes 10 axiale et transversale partielles et schématiques, ledit premier mode de réalisation de l'invention, les corps mobiles de restriction étant en position déployée. La figure 11 illustre en coupe axiale partielle et schématique, un second mode de réalisation de l'invention. La figure 12 est une vue transversale schématique d'un mode de réalisation appliqué à une tuyère confluente à mélange. La partie arrière de turbomoteur à double flux, montrée schématiquement sur la figure 1, comporte un générateur central 1 émettant par son orifice de sortie 2 un flux de gaz chaud (flèches 3) et un conduit annulaire de dérivation 4 qui entoure ledit générateur central 1 et à travers lequel passe un flux de dérivation de gaz relativement froid (flèches 5) engendré par un ventilateur (non représenté). La paroi extérieure 6 du conduit annulaire 4 25 se prolonge, vers l'arrière, au- delà du plan de l'orifice de sortie 2 du générateur central 1 pour former une tuyère convergente confluente 7 se terminant vers l'arrière du turbomoteur par un orifice de sortie 8. A l'intérieur de la tuyère confluente 7, le flux central chaud 3 est entouré 8 2602550 1 par le flux froid 5 et les deux flux sont séparés par une surface fluide de séparation convergente 9. Dans le plan de l'orifice de sortie 2'du générateur central 1 (voir également la figure 2), la section du flux chaud 3 est égale à la section S2 dudit orifice de sortie 2, tandis que la section du flux froid 5 est égale à la section annulaire S4 du conduit de dérivation 4 par ce plan. Cependant, les sections de sortie contrôlant effectivement la détente des flux gazeux dans la tuyère confluente 7 et l'échappement de ceux-ci hors de cette dernière se trouvent dans le plan de l'orifice 8 de sortie de la tuyère 7 et sont plus petites respectivement que les sections S2 et S4. En effet, le flux chaud central 3 s'échappe par la partie centrale 10 de l'orifice 8 limitée par la section de la surface fluide de séparation 9 par le plan dudit orifice 8, tandis que le flux froid 5 s'échappe par la partie périphérique annulaire 11 dudit orifice 8, comprise entre la surface fluide de séparation 9 et le contour de l'orifice 8, les sections S10 et Sll respectives desdites partie centrale 10 et partie périphérique 11 de l'orifice 8 étant respectivement plus petites que les sections S2 et S4 (voir également la figure 3). En régime, le partage de la section totale S8 de l'orifice 8 entre la section S10 et la section Sll dépend des 25 pressions relatives des flux chaud 3 et froid 5, qui déterminent la position de la paroi fluide de séparation 9. Pour bien faire comprendre l'invention, on suppose maintenant (voir les figures 4 et 5) qu'un obstacle annulaire 12 est disposé dans le conduit annulaire 4, dans 30 le plan de l'orifice de sortie 2 du générateur 1, et que cet obstacle annulaire 12 obture la partie périphérique extérieure dudit conduit 4 pour ne laisser au flux froid 5 9 2602550 1 qu'un passage annulaire 13, de section S13, autour de l'orifice 2. On suppose de plus que le diamètre intérieur de l'obstacle annulaire 12 est égal au diamètre de l'orifice de sortie 8 de la tuyère 7. Dans ces conditions, la section totale S2 + S13 disponible pour le passage des flux 3 et 5 dans le plan de l'orifice 2 du générateur 1 est juste égale à la section totale de sortie S8 dans le plan de l'orifice 8 de la tuyère 7. Par suite, à l'intérieur du canal cylindrique ainsi formé, aucune détente ne peut avoir lieu pour les flux 3 et 5 et ces deux flux vont conserver dans la tuyère 7 les conditions de pression et de vitesse, respectivement atteintes dans le plan de l'orifice 2 du générateur 1. La surface de séparation fluide 9 sera donc cylindrique, de 15 sorte que, dans le plan de l'orifice 8 de sortie de la tuyère, la partie centrale 10 prend une nouvelle section S10' égale à S2, donc plus grande que S10, alors que la partie périphérique annulaire 11 prend une nouvelle section S11' égale à S13, et donc plus petite que Sll. Ainsi, la 20 partie centrale 10 s'est dilatée, alors que la partie annulaire périphérique 11 s'est contractée. De façon plus générale, on voit donc que toute variation périphérique de la section de passage S4 entraîne des changements de sens opposés dans les sections effectives 25 d'échappement S10 et Sll. Or, une augmentation de la section centrale S10 conduit à un abaissement de la température de fonctionnement du générateur de gaz, toutes choses égales d'ailleurs. On en déduit donc cue la présence de l'obstacle 12 permet d'abaisser la température de 30 fonctionnement du générateur 1, ce qui, à priori, est étonnant comme cela a été mentionné ci-dessus. 2602550 1 La présente invention met à profit cette découverte pour améliorer les performances d'un turbomoteur à double flux et tuyère confluente, lorsque de telles performances sont dégradées du fait que le générateur de gaz a atteint prématurément soit sa température limite de fonctionnement, soit sa vitesse limite de rotation. Un exemple caractéristique (mais non pas limitatif) d'application de l'invention est par exemple le décollage dans une ambiance chaude d'un avion équipé d'un tel turbomoteur. En effet, si le turbo10 moteur est prévu pour fournir sa puissance maximale de décollage avec un air ambiant à 20 C, cette puissance ne pourra pas être atteinte si la température ambiante atteint par exemple 50 C, ce qui peut être le cas dans un pays chaud. Ceci est dû au fait que, dans ces conditions, le turbomoteur atteint sa température limite avant d'atteindre sa vitesse de régime. Par exemple, si pour un air ambiant à C, la puissance maximale correspond à un régime de 21000 t/mn, on s'apercevra que dans un air ambiant à 50 C,. le turbomoteur ne peut dépasser le régime de 19 000 t/mn. 20 Il en résulte une perte de puissance significative, qui peut être extrêmement préjudiciable à la bonne réalisation du décollage de l'avion. Grâce à l'invention, et pour la même température limite de fonctionnement, il sera possible de rétablir par exemple un régime de 20 000 t/mn pour un 25 air ambiant à 500C, ce qui correspond à une compensation importante de la dégradation précitée des performances. Le premier mode de réalisation de l'invention est illustré schématiquement par les figures 7 à 10, dans lesquelles les figures 8 et 10 sont respectivement des coupes schématiques 30 suivant les lignes VIII- VIII et X-X des figures 7 et 9. Sur 1 1 ces figures 7 à 10, on a représenté la structure de la paroi extérieure 6 du conduit annulaire de dérivation 4 et de la tuyère confluente 7. Cette paroi extérieure 6 comporte deux peaux 6a et 6b écartées l'une de l'autre et reliées par des cadres 14. Sur les figures 8 et 10, la peau intérieure 6b n'a pas été représentée pour des raisons de clarté de dessin; par suite, seule la peau extérieure 6a est visible. En regard de l'orifice de sortie 2 du générateur 1, les 10 peaux 6a et 6b et deux cadres consécutifs 14 déterminent des caissons 15, à l'intérieur desquels sont montés des corps mobiles profilés 16. Chacun des corps 16 est monté pivotant autour de pivots 17 tourillonnant dans des paliers solidaires desdits caissons 15. Ceux-ci comportent, dans la 15 peau intérieure 6b, des ouvertures 18. Sous l'action de moyens d'actionnement (décrits ci-après), chacun des corps profilés rotatifs 16 peut occuper une position escamotée (voir les figures 7 et 8), pour laquelle il est complètement logé à l'intérieur du caisson 15 correspondant ou une 20 position déployée (voir les figures 9 et 10), pour laquelle il fait saillie à l'intérieur du conduit annulaire de dérivation 4 en passant partiellement à travers l'ouverture 18 correspondante. Le passage de chacune desdites positions à l'autre s'effectue par rotation de 180 des corps profilés 16 autour de leurs pivots 17. A cet effet, les moyens d'actionnement en rotation des corps profilés 16 peuvent comporter un pignon 19 solidaire des pivots 17, une couronne dentée 20 engrenant avec les 30 pignons 19 de la totalité ou de plusieurs des corps profilés 16, un ou plusieurs vérins 21 prenant appui d'un cSté sur la structure du turbomoteur et relié de l'autre à 1 la couronne 20 et un ou plusieurs ressorts antagonistes 22. Sur les figures 8 et 10, à des fins de clarté de dessin, les vérins 21 et les ressorts 22 ont été représentés à l'extérieur des caissons 15. En réalité, il est avantageux qu'ils soient disposés dans lesdits caissons 15. Ainsi, par commande du ou des vérins 21 à l'extension directement par le pilote ou par le dispositif de régulation du turbomoteur, il est possible de faire tourner la couronne 20 et donc les corps rotatifs profilés 10 16, à l'encontre de l'action des ressorts 22, pour faire passer lesdits corps rotatifs de la position escamotée (figures 7 et 8) à la position déployée (figures 9 et 10). Le retour de la position déployée à la position escamotée est obtenue sous l'action de la rétraction des vérins 21 et 15 des ressorts 22. Dans la variante de réalisation de la figure 11 des corps profilés 23, mobiles en translation sous l'action de moyens d'actionnement non représentés, sont logés partiellement dans des caissons 24 ménagés entre les peaux 6a et 6b de la 20 paroi 6 et font saillie vers l'intérieur dudit turbomoteur en passant à travers une fente 25, pratiquée dans la peau intérieure 6b. La direction de la translation desdits corps profilés 23 est approximativement longitudinale. Ces corps profilés 23 peuvent occuper une position escamotée (repré25 sentée en traits pleins) pour laquelle ils se trouvent au niveau de l'orifice de sortie 8 de la tuyère 7 qu'ils obturent partiellement ou une position déployée (représentée en pointillés) pour laquelle ils se trouvent au niveau de l'orifice de sortie 2 du générateur central 1, obturant 30 partiellement le conduit annulaire de dérivation 4. Sur la figure 12, on a représenté schématiquement, en bout, la tuyère d'éjection 1' du générateur 1 dans le cas o celle-ci est du type à mélange. Cette tuyère 1' comporte à 13 2602550 1 sa périphérie une pluralité de convolutions 26 délimitant entre elles des canaux 27, susceptibles de guider une partie du flux froid 5 circulant dans le conduit annulaire de dérivation 4 vers le flux chaud 3, de sorte qu'il en résulte un mélange partiel de ces-deux flux dans la tuyère confluente 7. Dans ce cas, il est avantageux que chacun des corps mobiles profilés 28, qui peuvent être les corps 16 ou 23, se trouvent en regard d'un canal 27 de guidage d'air froid. 14 2602550 REVENDICATIONS 1 1 - Turbomoteur à double flux et à tuyère confluente, c'est-à-dire du type comportant un générateur central (1) émettant par son orifice de sortie (2) un flux (3) de gaz chaud et un conduit annulaire (4) de dérivation qui entoure ledit générateur central (1) et à travers lequel passe un flux (5) de dérivation de gaz relativement froid, lesdits flux de gaz (3 et 5) étant librement confluents à l'intérieur de ladite tuyère (7) qui prolonge en convergeant ledit conduit annulaire (4) au-delà de l'orifice de 10 sortie (2) dudit générateur central (1), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens commandés (16,23,28) permettant de faire varier momentanément, en périphérie, le passage du flux de gaz relativement froid (5) dans ledit conduit annulaire de dérivation (4), en vue 15 de compenser au moins partiellement la dégradation des performances dudit turbomoteur lorsque celles-ci sont limitées soit par la température maximale de fonctionnement dudit générateur central (1), soit par le régime maximal dudit moteur, mais non par ces deux conditions simultanées. 2 - Turbomoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de variation commandés (16,23,28) se trouvent au voisinage du débouché dudit conduit annulaire de dérivation (4) dans ladite tuyère confluente (7). 3 - Turbomoteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de variation commandés (16,23,28) sont actionnés par des moyens d'actionnement logés dans l'épaisseur de la paroi extérieure (6) dudit conduit annulaire (4). 2602550 1 4 - Turbomoteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de variation commandés (16,23,28) sont constitués par une pluralité de corps mobiles individuels, répartis à la périphérie dudit conduit annulaire de dérivation (4). Turbomoteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits corps mobiles individuels sont mobiles entre une position escamotée, pour laquelle ils sont logés dans l'épaisseur de la paroi extérieure (6) 10 dudit conduit annulaire (4), et une position déployée, pour laquelle ils font saillie à l'intérieur dudit conduit annulaire (4). 6 - Turbomoteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits corps mobiles individuels passent par rotation de l'une à l'autre de leurs positions. 7 - Turbomoteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits corps mobiles individuels sont mobiles entre une position escamotée, pour laquelle ils font saillie à l'intérieur de l'orifice (8) de sortie 20 de ladite tuyère (7), et une position déployée, pour laquelle ils font saillie à l'intérieur dudit conduit annulaire (4). 8 - Turbomoteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits corps mobiles individuels 25 passent par translation de l'une à l'autre de leurs positions. 9 - Turbomoteur selon l'une des revendications 4 à 8, dans lequel ladite tuyère confluente (7) comporte des moyens de mélange des flux chaud et froid (3,5) constitués de convolutions (26) pratiquées à la périphérie de la tuyère 16 2602550 1 d'éjection du générateur central et ménageant entre chaque paire d'entre elles un canal (27) de guidage de gaz du flux froid vers le flux chaud, caractérisé en ce que, en position déployée, chacun desdits corps mobiles individuels se trouve en regard d'un desdits canaux de guidage.