Brevet FR2610994A1 — publié le 19880819

La présente invention concerne des moteurs à turbi- ne à gaz utiliséspour la motorisation d'aéronefs, et elle porte plus particulièrement sur de tels moteurs employes dans des aéronefs prévus pour fonctionner dans une gamme de vites- ses allant de vitesses subsoniques à des vitesse supersoni- ques. Des moteurs capables de fonctionner efficacement sur une gamme de vitesses allant de vitesses subsoniques à des vitesses supersoniques peuvent comprendre un dispositif de postcombustion ou de réchauffe, destiné à procurer une augmentation de poussée pour le décollage, certaines manoeu- vres et l'accélération supersonique. De tels moteurs peuvent en outre comprendre un injecteur de flux de dilution à sec- tion variable, qui améliore les performances du moteur. Le fonctionnement optimal de tels moteurs sur la plage étendue de conditions rencontrées depuis des vitesses subsoniques jusqu'à des vitesses supersoniques exige de sa- tisfaire des conditions sévères. Par exemple, il est souhai- table, en particulier pendant le fonctionnement "à sec" ou sans postcombustion, que les gaz du flux primaire et les gaz de dilution ou du flux secondaire, soient mélangés aussi uniformément que possible avant de sortir par la tuyère d'éjection du moteur. Il est également souhaitable de main- tenir le débit d'air du moteur, qui est affecté par la souf- flante employée dans de tels moteurs, par la vitesse de l'aéronef et par la poussée exigée du moteur, de façon à fonctionner à un point optimal sur le diagramme de fonction- nement du moteur. Il est nécessaire de prévoir un accroche- flamme satisfaisant pour maintenir la flamme fournissant de la chaleur au dispositif de postcombustion, malgré la vi- tesse élevée du flux d'air dans la zone de combustion de carburant. Il est en outre souhaitable que les rampes de pulvérisation ou tubes de carburant fournissant le carburant pour le dispositif de postcombustion ne soient pas soumis à une température trop élevée, du fait que dans de telles con- ditions le carburant peut se décomposer et les dépôts résul- tants peuvent obturer des trous dans le système d'alimenta- tion en carburant, qui peuvent ne mesurer que 0,5 à 1 mm. Le moteur de l'invention est conçu de façon à satisfaire toutes ces conditions sévères, ce qui a pour résultat d'optimiser le fonctionnement de l'aéronef. On trouve dans l'art antérieur des moteurs compor- tant des dispositifs de postcombustion, des moyens pour mé- langer les gaz du flux primaire et le gaz du flux secondaire, et des accroche-flammes pour les éléments brûlant le carbu- rant. Cependant, aucun dispositif de l'art antérieur connu de la demanderesse ne comporte en une seule structure, comme c'est le cas dans l'invention, des moyens assurant l'alimen- tation en carburant, l'accrochage des flammes, le refroidis- sement des rampes de pulvérisation par lesquelles le carbu- rant est fourni, la commande de la section par laquelle les gaz du flux secondaire sont injectés dans les gaz du flux primaire qui sont éjectés de la turbine à gaz centrale, et un mélange intime et complet des gaz du flux primaire et des gaz du flux secondaire avant leur sortie par la tuyère d'éjection du moteur. Un but de l'invention est donc de procurer, en une seule structure combinée, des moyens pour mélanger intime- ment le gaz du flux secondaire et les gaz du flux primaire, sur la quasitotalité de la section du passage d'échappement du moteur, pour incorporer dans la structure des tubes de carburant ou des rampes de pulvérisation et des accroche- flammes pour le carburant qui est brlé, pour refroidir ef- ficacement les parois de la structure et les éléments qui se trouvent à l'intérieur, comprenant des rampes de pulvéri- sation, des organes de support, etc, pour redresser le mou- vement tourbillonnaire des gaz du flux primaire qui sortent de la turbine à gaz centrale, et pour commander l'injection du gaz du flux secondaire dans les gaz du flux primaire. Dans une forme de l'invention, un ensemble de pièces creuses réparties de façon périphérique sont posi- tionnées entre un canal de soufflante extérieur et le corps central de la turbine à gaz, c'est-à-dire qu'ils s'étendent radialement à travers le passage par lequel les gaz du flux primaire sont éjectés de la turbine à gaz centrale. Chacune des pièces creuses est ouverte à son extrémité extérieure en direction radiale, pour recevoir du gaz relativement froid provenant du canal de soufflante, et elle peut être fermée à l'extrémité intérieure en direction radiale, au ni- veau du corps central. Selon une variante, des ouvertures peuvent être prévues à l'extrémité intérieure en direction radiale, pour établir un certain écoulement d'air vers la région du corps central. Chaque pièce creuse comporte une ouverture dans une paroi latérale, à proximité de son bord de fuite, et cette ouverture s'étend pratiquement sur toute la longueur de la pièce creuse de façon à évacuer le gaz du flux secondaire provenant du canal de soufflante, dans une direction qui facilite un mélange intime des gaz du flux primaire et du gaz du flux secondaire. Un volet pivotant est monté dans cette ouverture de chacune des pièces creuses, et ces volets sont commandés de façon à faire varier le débit d'air par les ouvertures précitées. Des rampes de pulvérisa- tion ou des tubes de carburant, s'étendant en direction ra- diale, sont placés à l'intérieur de chaque pièce creuse, en position adjacente aux côtés opposés de celle-ci, de façon à être refroidis par le gaz du flux secondaire qui traverse la pièce creuse. Les rampes de pulvérisation comportent un ensemble d'ouvertures adjacentes aux parois latérales des pièces creuses, et des ouvertures correspondantes sont for- mées dans ces parois, de façon que pendant le fonctionnement avec postcombustion, du carburant soit dirigé vers la région située entre des pièces creuses adjacentes. L'extrémité ar- rière de chaque pièce creuse se présente sous la forme d'une surface relativement large et pratiquement plane qui remplit la fonction d'un accroche-flamme pour le carburant qui est débité par les rampes de pulvérisation et qui est brûlé dans le dispositif de postcombustion. L'extrémité avant de chaque pièce creuse est courbée selon un angle qui correspond de façon générale à l'angle du mouvement tourbillonnaire des gaz du flux primaire qui sont éjectés par la turbine à gaz centrale, de façon à effectuer un redressement du mouvement tourbillonnaire de ce gaz. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent respectivement: Figure 1: une coupe schématique, avec certaines parties omises, montrant la structure générale d'un moteur à turbine à gaz qui met en oeuvre l'invention. Figure 2: une coupe agrandie d'une partie du moteur à turbine à gaz illustrant des détails de l'invention. Figure 3: une vue de composants de la structure, dans une direction transversale, montrant des détails sup- plémentaires de l'invention. Figure 4A: une coupe selon la ligne courbe 4-4 de la figure 3, montrant des volets de commande dans une posi- tion. Figure 4B: une coupe similaire à la figure 4A, montrant les volets de commande dans une autre position. En considérant tout d'abord la figure 1, on voit la configuration générale d'un moteur à turbine à gaz 10 qui comprend une turbine à gaz centrale désignée de façon générale par la référence 12, et un canal de soufflante 14 entourant la turbine à gaz centrale. Un gaz, normalement de l'air, entre par une prise d'air 16 dans une soufflante re- présentée de façon générale en 18. Une partie de cet air, ou flux primaire, est dirigé vers la turbine à gaz centrale par un passage 20, comprimé dans un compresseur 21 et fourni à une chambre de combustion 22 pour brûler du carburant dans celle-ci, et les gaz chauds résultants sont dirigés vers une turbine 23 pour communiquer de l'énergie au moteur, et les gaz du flux primaire sont évacués par un passage 24. L'autre partie du gaz d'entrée, ou-flux secondaire, passe par le canal ou passage de soufflante 14, et est ensuite mélangé, au moins en partie, avec les gaz du flux primaire, après quoi les gaz mélangés des flux primaire et secondaire sont évacués par la tuyère d'éjection 26 du moteur pour produire une poussée. Un dispositif de postcombustion ou de réchauffe 27 est prévu pour fournir une quantité supplémentaire de chaleur aux gaz d'échappement. Le dispositif de l'invention se trouve entre le canal de soufflante 14, le passage d'échappement de la tur- bine à gaz centrale et le dispositif de postcombustion 27. En considérant maintenant les figures 2 et 3 qui montrent des détails de l'invention, on voit un ensemble de pièces creuses 28, réparties de façon périphérique. Chacune de ces pièces creuses 28 s'étend de façon générale en direction radiale entre une paroi intérieure 30 du canal de soufflante 14 et le corps central 32 de la turbine à gaz centrale. Chacune des pièces creuses est ouverte à son extrémité exté- rieure en direction radiale, pour recevoir le gaz du flux secondaire provenant du canal de soufflante 14, et elle peut être fermée à son extrémité intérieure en direction radiale, au niveau du corps central 32, mais certaines ouvertures peuvent être formées à l'extrémité intérieure en direction radiale pour produire un certain écoulement d'air vers la région du corps central. En considérant plus particulièrement les figures 4A et 4B, on note que chacune des pièces creuses comporte des parois latérales espacées 34 et une paroi ar- 6' rière 36 qui s'étend entre les parois latérales. La paroi arrière forme une surface accroche-flamme, comme on l'expli- quera ci-après. L'extrémité avant 40 de chacune des pièces creuses est courbée pour être dirigée de façon générale pa- rallèlement à l'écoulement des gaz tourbillonnants du flux primaire qui sortent de la turbine à gaz centrale, et cette direction d'écoulement est indiquée par les flèches 38 sur les figures 4A et 4B. On obtient une poussée plus e.ficace si le gaz d'échappement sort en traversant la tuyère d'éjec- tion dans une direction pratiquement axiale, et la construc- tion de la pièce creuse avec l'extrémité avant courbée, com- me décrit ci-dessus, produit un redressement des gaz du flux primaire qui sont évacués, de façon que ces gaz circulent en suivant un chemin pratiquement axial à l'arrière des pièces creuses. Un ensemble de structures de support 42, s'éten- dant en direction radiale, sont prévues pour supporter l'extrémité arrière de la turbine à gaz centrale. Ces bras 42 sont placés à l'intérieur des pièces creuses 28 de façon à être refroidis par les gaz du flux secondaire, relative- ment froids, qui traversent les pièces creuses. Une paire de rampes de pulvérisation 44 sont dis- posées à l'intérieur de chacune des pièces creuses 28, pour fournir du carburant pour le dispositif de postcombustion. Les rampes de pulvérisation 44 s'étendent dans une direction générale radiale, et elles sont fixées aux parois latérales opposées 34 des pièces creuses, d'une manière appropriée quelconque, par exemple par soudage. Pour permettre au car- burant de sortir des rampes de pulvérisation 44 pour entrer dans les gaz du flux primaire, afin de brûler dans le dis- positif de postcombustion, chaque rampe de pulvérisation 44 comprend un ensemble d'ouvertures 46 espacées en direction radiale, et des ouvertures alignées ou une fente longitudi- nale sont formées dans les parois latérales 34 des pièces creuses, pour permettre le passage du carburant à travers 7. ces parois. Pour maintenir la combustion du carburant qui est évacué dans l'écou2ement de gaz 38 en mouvement rapide, chaque pièce creuse 28 comporte à son extrémité arrière une surface 36 relativement large et pratiquement plane, qui remplit la fonction d'un accroche-flamme. Une surface d'accrochage de flamnme périphérique supplémentaire, 37, est formée à l'ex- térieur de la surface 36. Les gaz qui circulent le long de la surface 36 ont tendance à revenir en position adjacente à la surface 36, ce qui établit une région d'écoulement en boucle fermée pour maintenir la flamme. Ainsi, la forme de la pièce creuse 28 assure le redressement des gaz du flux primaire qui sortent de la turbine à gaz centrale, grâce à l'extrémité avant courbe de la pièce creuse, et elle établit également un accroche-flamme en position adjacente à la sur- face 36, à l'extrémité arrière de la pièce creuse. En outre, la dispositiondes rampes de pulvérisation à l'intérieur de la pièce creuse 28, de façon que le gaz de flux secondaire relativement froid qui traverse la pièce creuse circule éga- lement sur les rampes de pulvérisation 44, maintient ces dernières à une température plus faible que ce qui serait possible par ailleurs. La décomposition du carburant est ainsi retardée et l'obturation de petits trous dans le sys- tème d'alimentation en carburant est minimisée. Le gaz du flux secondaire refroidit également les parois latérales 34 des pièces creuses qui sont soumises à la chaleur provenant des gaz chauds du flux primaire, ainsi que la surface ac- croche-flamme 36, qui est soumise à la chaleur provenant du carburant qui brûle. - Pour permettre l'évacuation de l'air du flux se- condaire, en vue du mélange avec les gaz du flux primaire qui s'écoulent en suivant le chemin 38, chacune des pièces creuses comporte une ouverture dans une paroi latérale 34, près du bord de fuite de celle-ci, comme indiqué en 48. Cet- te ouverture 48 s'étend en direction radiale pratiquement sur toute la longueur radiale de la pièce creuse, de façon que le gaz du flux secondaire qui entre dans la pièce creuse à partir du canal de soufflante 14 soit évacué dans l'écou- lement de gaz du flux primaire, d'une manière qui réalise un mélange intime entre le gaz du flux secondaire et les gaz du flux primaire. L'ouverture 48, qui est disposée dans la pa- roi latérale de la pièce creuse, comme décrit ci-dessus, fait en sorte que le gaz du flux secondaire sorte de la pièce creuse dans une direction indiquée par les flèches 49, pour que les écoulements adjacents du gaz du flux secondaire et des gaz du flux primaire se mélangent intimement par l'action de cisaillement qui est créée au niveau des écoule- ment de gaz adjacents. L'aire élevée des ouvertures 48 dans les pièces creuses augmente l'aire de cisaillement. Les gaz du flux secondaire se mélangent donc avec les gaz du flux primaire provenant de la turbine à gaz centrale sur la quasi- totalité de l'étendue du chemin emprunté par les gaz du flux primaire, aussi bien en direction radiale qu'en direction périphérique, ce qui permet d'obtenir un mélange pratiquement uniforme des gaz. Pour permettre l'adaptation aux conditions varia- bles qu'on rencontre dans la plage de fonctionnement allant de vitesses subsoniques à des vitesses supersoniques, et comprenant à la fois le fonctionnement avec postcombustion et sans postcombustion, un volet 50 est incorporé dans chaque pièce creuse pour commander l'écoulement de l'air du flux secondaire a travers l'ouverture 48. Dans le mode de réali- sation spécifique qui est représenté, chaque volet est monté sur une tige 52 de façon à pouvoir être déplacé entre une position ouverte et une position fermée ou partiellement fermée. On peut employer n'importe quels moyens appropriés destinés à s'accoupler aux extrémités extérieures des tiges 52, en direction radiale, pour déplacer simultanément les tiges dans la direction des flèches 56 et pour amener ainsi les volets à n'importe quelle position désirée entre les positions ouverte et fermée qui sont représentées. A titre d'exemple, comme le montre la figure 2, chacune des tiges 52 peut être accouplée par un levier 53 à une couronne d'accou- plement périphérique 54, qui est déplacée pour produire un mouvement simultané des volets 50. La couronne d'accouplement est reliée à chaque levier 53 par un axe 55. Des couronnes d'accouplement prévues pour actionner des éléments de moteurs à turbine à gaz sont bien connues et leur représentation dé- taillée n'est pas nécessaire. On peut employer n'importe quelle autre structure appropriée pour déplacer les volets 50. Des dispositifs pour commander le débit d'air du flux secondaire entrant dans les gaz d'échappement correspondant au flux primaire, sont bien connus dans la technique et constituent ce qu'on appelle de façon générale des injecteurs de dilution à section variable. Cependant, dans la configura- tion de la demanderesse, cet injecteur de dilution à section variable est commodément intégré dans chaque pièce creuse 28, ce qui a pour effet d'incorporer encore une autre fonction dans la structure unique que constituent les pièces creuses 28. Pour refroidir la chemise 58 du dispositif de postcombustion, une partie des gaz du flux secondaire circu- lant dans le canal de soufflante 14 est dirigée dans un canal et passe le long de la paroi extérieure de la chemise 58, afin de refroidir cette dernière. En outre, la chemise 58 comprend un grand nombre nombre de très petits trous, indi- qués avec une taille exagérée en 62, par lesquels les gaz du flux secondaire sont dirigés sur la paroi intérieure de la chemise 58 pour refroidir encore davantage celle-ci. Grâce à l'invention, un ensemble de fonctions ef- fectives sont incorporées en une seule structure, à savoir les pièces creuses 28, espacées en direction périphérique, qui s'étendent radialement à partir de la paroi intérieure du canal de soufflante 14, vers le corps central 32. Le gaz du flux secondaire provenant du canal 14 entre par l'ex- trémité radiale extérieure ouverte de chacune des pièces creuses, et ce gaz, dont l'écoulement est commandé par les volets 50, traverse les ouvertures 48 dans la paroi latérale des pièces creuses, pour se mélanger de façon commandée avec les gaz du flux primaire qui sortent de la turbine à gaz centrale en suivant le chemin 38. Le gaz du flux secondaire circule sur toute l'étendue radiale des pièces creuses 28, en refroidissant les pièces de support 42 et les rampes de pulvérisation 44, et il est ensuite dirigé selon un chemin indiqué par les flèches 49, de façon que l'écoulement de gaz du flux secondaire présente une aire de cisaillement élevée aux gaz du flux primaire, et de façon que le gaz du flux secondaire et les gaz du flux primaire se mélangent intime-' ment sur la quasi-totalité de l'étendue périphérique et ra- diale de la région comprise entre des pièces creuses adja- centes, par l'action de cisaillement qui est créée au niveau des écoulements de gaz adjacents. Les volets de commande 50 font également partie de la structure des pièces creuses 28, pour faire varier le débit du gaz du flux primaire traver- sant les pièces creuses, en fonction de conditions de fonc- tionnement variables. Les pièces creuses 28 présentent une forme courbe à leur extrémité avant, pour effectuer un re- dressement des gaz du flux primaire, et elles comportent à leur extrémité arrière une surface plane et large qui cons- titue un accroche-flamme pour le carburant brûlé dans le dispositif de postcombustion. Le gaz du flux secondaire qui entre dans les pièces creuses refroidit les parois latérales de ces dernières, les pièces de support et les rampes de pulvérisation, les surfaces d'accrochage de flamme et le corps central. il REVENDICATIONS 1. Moteur à turbine à gaz comprenant une tubine à gaz centrale (12) et un corps central (32) associé à celle-ci, une entrée (16) destinée à fournir un écoulement de gaz à la turbine à gaz centrale (12), un conduit de soufflante (14) entourant la turbine à gaz centrale (12), pour dériver une partie du gaz de façon qu'il passe autour de la turbine à gaz centrale, et un dispositif de postcom- bustion (27) en arrière de. la turbine à gaz centrale (12), poir produire une poussée accrue; caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un ensemble de pièces creuses (28) espacées en direction périphérique et positionnées dans le chemin des gaz, formant un flux primaire, qui proviennent de la turbine à gaz centrale (12); (b) chacune de ces pièces (28) s'éten- dant une direction générale radiale depuis le canal de souf- flante (14) jusqu'au corps central (32); (c) chacune de ces pièces (28) étant ouverte à l'extrémité extérieure en direc- tion radiale, pour recevoir du gaz correspondant à un flux secondaire qui provient du canal de soufflante (14); (d) chacune de ces pièces (28) comprenant une ouverture (48) dans sa paroi latérale (34), qui est située près du bord de fuite et qui s'étend pratiquement sur toute la longueur de chacune de ces pièces (28), pour évacuer le gaz du flux se- condaire dans une direction (49) qui assure un mélange in- time entre les gaz du flux primaire et le gaz du flux se- condaire, sur la quasi-totalité de la région comprise entre des pièces creuses (28) adjacentes; et (e) des moyens (50) disposés dans chacune des ouvertures pour commander le débit du gaz du flux secondaire traversant l'ouverture considérée. 2. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens précités comprennent un volet pivotant (50) disposé dans chacune des ouvertures (48), et des moyens (52, 53, 54, 55) pour déplacer simulta- nément les volets (50) afin de faire varier le débit du gaz du flux secondaire qui traverse les pièces creuses (28). *| 12 3. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: (a) une rampe de pulvérisation (44) disposée dans chacune des pièces (28) et comprenant des ouvertures (46) pour évacuer le carburant pour le dispositif de postcombustion, par le côté (34) de chaque pièce creuse (28), dans les gaz du flux primaire; et (b) les rampes de pulvérisation (44) sont refroidies par le gaz du flux secondaire qui traverse les pièces creuses (28). 4. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi arrière de chacune des pièces creuses (28) présente une surface relativement large (36) pour constituer un accroche-flamme pour le carburant qui est évacué par les rampes de pulvérisation (44) et qui est brûlé dans le dispositif de postcombustion (27). 5. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 3, caractérisé en ce que: (a) chacune des rampes de pulvé- risation (44) est montée sur une paroi latérale (34) de l'une correspondante des pièces creuses (28); et (b) chacune des rampes de pulvérisation (44) comprend un ensemble d'ou- vertures (46) espacées en direction radiale, et la paroi latérale (34) de la pièce creuse (28) correspondante com- porte une ouverture alignée avec les ouvertures formées dans la rampe de pulvérisation (44), pour permettre le passage du carburant des rampes de pulvérisation (44) vers les espaces situés entre les pièces creuses (28). 6. Moteur à turbine à gaz selon la revendication , caractérisé en ce qu'une rampe de pulvérisation (44) est placée en position adjacente à chaque paroi latérale (34) de chacune des pièces creuses (28), pour pulvériser du car- burant dans les espaces situés de part et d'autre de la pièce creuse (28) correspondante. 7. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des pièces creuses (28) est courbée à son extrémité avant, dans une direction qui correspond pratiquement à l'angle sous lequel les gaz du 26'0994 flux primaire sortent de la turbine à gaz centrale (12), pour redresser les gaz du flux primaire. 8. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que: (a) la surface extérieure de chacune des parois latérales (34) de chacune des pièces creuses (28) est soumise à la chaleur des gaz du flux pri- maire qui circulent sur cette surface; (b) la surface ex- térieure de la paroi arrière de chacune des pièces creuses (28) se présente sous la forme d'une surface relativement large (36) pour constituer un accroche-flamme; (c) des pièces de support (42) pour la turbine à gaz centrale (12) sont disposées à l'intérieur des pièces creuses (28); (d) des rampes de pulvérisation (44) pour l'alimentation en carburant sont disposées à l'intérieur des pièces creuses (28); et (e) le gaz du flux secondaire qui traverse les pièces creuses (28) refroidit les parois latérales (34) et la surface d'accrochage de flamme (36) de la paroi arrière, les pièces de support (42) et les rampes de pulvérisation (44).