Brevet FR2640321A1 — publié le 19900615

La présente invention concerne des tuyères d'échappe- ment à deux dimensions ayant une surface variable et, plus particulièrement, un dispositif pour contrôler la déformation thermique des parois latérales de la tuyère et les pertes ainsi provoquées par la fuite-des gaz d'échappement sortant de la tuyère. La manoeuvrabilité des avions modernes à hautes performances est grandement améliorée lorsqu'on étend le rôle Ce la tuyère d'échappement du moteur à réaction au-delà de sa fcnction classique d'accélération du jet. Une tuyère d'échap- pement avec possibilité de déviation du jet permet de produire des manoeuvres de l'avion aux faibles vitesses de vol plus rapides qu'avec les gouvernes classiques. De plus, la possibilité d'inversion de la poussée incorporée dans la tuyère d'échappement peut permettre une décélération très rapide de l'avion en vol à des fins de manoeuvre, et de réduction du roulis à l'atterrissage sur une piste de courte longueur. On désigne généralement par l'expression "tuyère d'échappement multi- fonctions" les tuyères d'échappement permettant de telles fonctions supplémentaires. En figure 1 on a représenté un exemple typique d'une telle tuyère multi- fonctions. Cette tuyère d'échappement multi-fonctions, dési- gnée dans son ensemble par la référence 10, présente une section transversale rectangulaire définie par un volet -2- supérieur mobile 12 et un volet inférieur mobile 14, disposés chacun entre des parois latérales fixes 16 et 18. On appelle généralement tuyères à deux dimensions de telles tuyères d'échappement ayant une section transversale rectangulaire et celles-ci ont la préférence dans le cas des applications multi-fonctions car, contrairement aux tuyères symétriques par rapport à l'axe, de section ronde, les volets mobiles supérieur et inférieur 12 et 14 peuvent être actionnés différentiellement comme cela est représenté en figures 2-4 de manière à dévier les gaz de combustion chauds sortant de la tuyère. En figure 2, les volets supérieur et inférieur 12 et 14 sont totalement déviés pour produire la poussée maximum pour le vol en croisière ou l'accélération de l'avion. La figure 3 représente les positions des volets 12 et 14 pour diriger l'écoulement de l'échappement dans la tuyère et améliorer la manoeuvrabilité de l'avion. La figure 4 repré- sente la position des volets supérieur et inférieur mobiles dans une position d'étranglement complet dans laquelle l'écoulement de l'échappement dans la tuyère est dirigé de manière à entrer dans des inverseurs de poussée 20 et à les traverser pour décélérer rapidement l'avion lors de son atterrissage. Toujours en liaison avec la figure 1, il est important que les jeux entre les bords des volets supérieur et inférieur mobiles 12 et 14 et la surface intérieure des parois latérales 16 et 18 soit maintenue à un minimum absolu pour éviter la fuite des gaz d'échappement. En fonctionne- ment, la surface intérieure 22 de chaque paroi latérale 16 et 18 est chauffée par les gaz de combustion chauds s'échappant par la tuyère. Ces surfaces intérieures 22 des parois latérales fonctionnent à une température nettement supérieure à celle des surfaces extérieures 24 des parois latérales. A cause de cette différence de température entre la surface intérieure 22 et la surface extérieure 24 des parois latérales 16 et 18, les deux surfaces se dilatent de façon - 3 - différente. La surface intérieure 22 à température plus élevée se dilate plus que la surface extérieure 24 à la température plus faible, ce qui se traduit par une déforma- tion de la paroi latérale comme on le représente en figure 5. En figure 5, la déformation des parois latérales 16 et 18 lors du fonctionnement à chaud est représentée par les lignes en tirets, et l'état à froid des parois latérales par les lignes en traits pleins. Alors que la valeur de la déforma- tion représentée en figure 5 est exagérée pour la faire ressortir, la déformation peut être considérable. Par exem- ple, dans une réalisation typique, l'extrémité 26 de la paroi latérale peut dévier d'une valeur atteignant 4,5cm avec une. différence de température de 275 C entre la surface inté- rieure 22 et la surface extérieure 24. Une variation de la déviation des parois latérales créant un jeu de cette amplitude pour les volets se traduit par des problèmes considérables de maîtrise des fuites. Les tentatives faites dans l'art antérieur pour contr8ler ou limiter les fuites entre les parois latérales et les volets supérieur et inférieur d'une tuyère à deux dimensions se sont axées sur le montage des parois latérales et des volets mobiles avec un joint ou une membrane flexibles de manière à essayer de tenir compte de la déformation thermique lors du fonctionnement à chaud. On décrit des exemples de tels joints flexibles dans les brevets des Etats- Unis d'Amérique n 4 575 099; 4 093 157 et 4575006. Les problèmes soulevés par l'utilisation de tels joints flexibles à l'aboutement entre les volets mobiles et les parois latérales fixes de la tuyère d'échappement sont que les joints ont tendance à se détériorer dans les conditions de fonctionnement extrêmes qu'on rencontre dans la tuyère d'échappement d'un moteur à réaction, et que le mouvement coulissant du joint contre la paroi latérale fixe pendant l'ajustement des volets supérieur et inférieur mobiles à des fins multi-fonctionnelles provoque la détérioration des 264532 1 - 4 - surfaces des parois latérales et des volets mobiles. Une telle détérioration nécessite un entretien supplémentaire pour la tuyere et contribue en outre à la réduction de l'effet d'étanchéité. En outre, les joints de ce type qu'on a adaptés à des tuyères multi-fonctions n'assurent pas un joint suffisamment étanche pour éliminer les problèmes des fuites à l'échappement. En conséquence, la présente invention a pour objet un moyen pour limiter la déformation thermique des parois latérales d'une tuyère d'échappement multi-fonctions à deux dimensions afin d'améliorer l'efficacité de la tuyère en réduisant sensiblement les fuites à l'échappement entre les aboutements des parois latérales et des volets supérieur et inférieur mobiles. La présente invention a pour autre objet de maîtriser la déformation thermique des parois latérales d'une tuyère d'échappement multi-fonctions à deux dimensions afin de contrôler les fuites à l'échappement sans avoir à utiliser un ensemble mécanique pouvant contribuer à la détérioration phvsique de la surface de la tuyère. Pour atteindre les objets précédents, et selon les buts de la présente invention, une tuyère divergente-conver- gente à deux dimensions, de surface variable, pour l'échap- pement de l'écoulement d'un gaz de combustion chaud à partir d'un moteur à réaction comprend des volets d'échappement supérieur et inférieur mobiles disposés entre des parois latérales fixes afin de définir au moins une partie du trajet d'échappement de la tuyère, chacune des parois latérales présentant une surface intérieure et une surface extérieure. Des moyens d'échange de chaleur sont disposés sur la surface extérieure de chacune des parois latérales afin de chauffer la surface extérieure de chaque paroi et réduire le différen- tiel de température entre les surfaces intérieure et exté- rieure de la paroi latérale. On prévoit en outre une source de gaz chaud et un moyen pour diriger le gaz chaud afin de -- 5 -- l'introduire dans le moyen d'échange de chaleur. De préférence, le moyen d'échange de chaleur de la présente invention comprend un déflecteur d'échange de la chaleur ayant une multitude de passages contigus se terminant à l'une de leurs extrémités dans une chambre. On préfère en outre que le moyen directeur comprenne une multitude d'orifi- ces s'étendant à travers la paroi latérale et communiquant avec des passages sélectionnés parmi les passages adjacents à la surface extérieure de la paroi latérale. On préfère de plus que chaque passage de la multitude de passages adjacents du déflecteur du moyen d'échange de chaleur ait une extrémité en amont et une extrémité en aval par rapport au trajet d'écoulement des gaz de combustion dans la tuyère, et une section transversale sensiblement semi- cylindrique avec son diamètre contigu à la surface extérieure de la paroi latérale. Il est en outre préférable que la chambre du déflecteur soit disposée à proximité des extrémi- tés en amont des passages et que les orifices du moyen directeur communiquent avec des passages alternés à leurs extrémités en aval. Le gaz chaud provenant de la source de gaz chauds traverse alors les orifices du moyen directeur dans une première direction par l'intermédiaire des passages alternés pour entrer dans la chambre. A partir de la chambre, le gaz chaud traverse les passages restants dans une seconde direction opposée à la première pour sortir par les orifices disposés dans les extrémités en aval des autres passages. On préfère en outre que la source de gaz chauds pour le moyen d'échange de chaleur comprenne les gaz de combustion chauds sortant par l'intermédiaire de la tuyère, gaz qui sont directement canalisés dans le moyen d'échange de chaleur à partir d'un certain emplacement de la tuyère, pour traverser les orifices du moyen directeur disposés dans les parois latérales. En variante, dans le cas o la tuyère comporte une plaque de garniture espacée de la surface intérieure de la paroi latérale pour définir entre eux un passage d'écoulement - 6 - d'air par l'intermédiaire duquel l'air de la soufflante du moteur à réaction est dirigé pour refroidir la surface intérieure de la paroi latérale, la source de gaz chauds comprend une partie de l'air de la soufflante dirigé dans le passage d'écoulement d'air défini par la garniture et la surface intérieure de la paroi latérale. L'air chaud de la soufflante est alors canalisé pour entrer dans le moyen d'échange de chaleur par l'intermédiaire des orifices du moyen directeur disposés dans les parois latérales de la tuyère. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue isométrique d'une tuyère classique d'échappement multi-fonctions, à deux dimensions; figures 2-4, diverses positions des volets supérieur et inférieur de la tuyère d'échappement de la figure 1, positions qui correspondent à diverses parties de l'enveloppe de vol de l'avion; figure 5, une vue en plan de la tuyère déchappement de la figure 1, montrant les effets de la déformation thermique sur les parois latérales de la tuyère; figure 6, une vue en élévation d'une tuyère d'échap- pement multi-fonctions, à deux dimensions, incorporant les enseignements de la présente invention; figure 7, une vue partielle en crevé du déflecteur d'échange de chaleur disposé sur la surface extérieure des parois latérales de la tuyère de la figure 6; figure 8, une élévation en coupe de la paroi latérale de la tuyère selon les enseignements de la présente inven- tion; figure 9, une vue de la paroi latérale de la figure 8 prise le long de la ligne 9-9 et, figure 10, une vue détaillée des passages semi- cylindriques du moyen d'échange de chaleur de la présente invention, représentant un moyen de fixation du moyen 264'0321 d'échange de chaleur à la surface extérieure de la paroi latérale. Selon la présente invention, et en liaison avec la figure 6, on a représenté dans son ensemble par la référence O10 une tuyère divergente-convergente, à deux dimensions, à surface variable pour l'échappement d'un écoulement de gaz de combustion chauds en provenance d'un moteur à réaction. La tuyère d'échappement 10 comporte des volets d'échappement supérieur et inférieur mobiles 12 et 14, respectivement, disposés entre des parois latérales fixes 16 et 18 pour définir au moins une partie du trajet d'échappement de la tuyère. Chaque paroi latérale 16 et 18 a une âme en nid d'abeille et une surface intérieure 22 et une surface extérieure 24 comme cela est représenté en figure 8. Selon la présente invention, la tuyère comprend un moyen d'échange de chaleur, disposé sur la surface extérieure de chaque paroi latérale, pour chauffer cette surface extérieure afin de réduire le différentiel de température entre les surfaces intérieure et extérieure de la paroi latérale pendant le fonctionnement de la tuyère. Selon le mode de réalisation de l'invention, le moyen d'échange de chaleur comprend des déflecteurs 28 d'échange de chaleur, montés chacun sur les surfaces extérieures 24 d'une paroi latérale respective 16 et 18, et présentant chacun une multitude de passages adjacents 30. Chaque passage 30 comporte une extrémité en amont 32 et une extrémité en aval 34 par rapport au trajet d'écoulement des gaz de combustion dans la tuyère 10. Le déflecteur 28 comprend en outre une chambre 36 placée près des extrémités en amont 32 des passages 30. Pour minimiser le frottement et maintenir l'efficacité aérodynamique de la tuyère 10, on peut placer une plaque de couverture 37 sur le déflecteur 28. La tuyère d'échappement incorporant les enseignements de la présente invention comprend en outre une source de gaz chauds et un moyen pour diriger le gaz chaud afin de le faire - 8 - entrer dans le moyen d'échange de chaleur. Selon la présente invention, et comme cela est représenté en figures 7 et 8, le moyen directeur comprend des orifices 38 s'étendant à travers les parois latérales 16 et 18 entre la surface intérieure 22 et la surface extérieure 24. Les orifices d'entrée 38 communiquent avec des passages alternés 30 à la surface intérieure 24 de la paroi latérale respective. Les autres passages 30 comportent des orifices de sortie 40 à proximité de leurs extrémités en aval 34. Comme cela est représenté en figures 9 et 10, chaque passage 30 a de préférence une section transversale sensible- ment semi-cylindrique avec un diamètre D contigu à la surface extérieure 24 de la paroi latérale respective 16, 18. Alors que la section transversale des passages 30 du déflecteur 28 n'est pas limitée à la forme semi-cylindrique indiquée dans les dessins, une telle forme permet d'obtenir un déflecteur léger, soumis à une charge de tension, efficace, capable de supporter la déformation du matériau constituant les passages pendant la marche entre les températures élevées de la tuyère d'échappement et l'état froid du moteur. En outre, on peut modifier la largeur et la longueur des passages 30 en fonction de la géométrie de la tuyère. En liaison avec la figure 7, le gaz chaud est dirigé par l'intermédiaire des orifices 38 du moyen directeur pour entrer dans des passages alternés 30 et se déplace dans un premier sens 44 en passant par les passages alternés dans la direction de la chambre 36. A partir de la chambre 36, le gaz chaud est dirigé dans un second sens 46 opposé au premier sens 44 pour passer dans les autres passages 30 et sort par les orifices 40 proches des extrémités en aval 34 des passages 30. Ainsi, le déflecteur comprenant le moyen d'échange de chaleur du mode de réalisation préféré de la présente invention comporte un déflecteur d'échange de chaleur du type à serpentin à deux passes o l'air chaud s'écoule vers l'avant en traversant des passages alternés 30 -9- dans la direction 44, chauffant la surface extérieure 24 de la paroi latérale, et inverse alors son sens dans la chambre 36 et s'écoule vers l'arrière dans la direction 46, chauffant de nouveau la surface extérieure 24 de la paroi latérale 16. Enfin, le gaz chaud, ayant chauffé la surface extérieure 24, est déchargé dans l'atmosphère en passant par les orifices de sortie 40. De cette manière, la surface extérieure 24 est chauffée pour réduire le différentiel de température entre la surface intérieure 22 et la surface extérieure 24 des parois latérales, minimisant la déformation thermique de la paroi latérale car cette déformation est proportionnelle au gra- dient de la température à travers la paroi latérale. Selon la présente invention, la source de gaz chauds pour le moyen d'échange de chaleur peut comprendre les gaz de combustion chauds s'échappant en passant par la tuyère 10 dans le cas o la surface intérieure 22 est directement exposée aux gaz de combustion chauds. Les gaz de combustion chauds sont ainsi canalisés pour entrer dans ie déflecteur 28 en passant par les orifices 38 du moyen directeur. Dans d'autres cas, comme cela est illustré en figure 8, o la tuyère 10 comporte une garniture 60 espacée de la surface intérieure 22 des parois latérales 16 et 18 pour définir entre elles un passage 61 pour l'écoulement de l'air, l'air de la soufflante provenant du moteur à réaction, qui est plus froid que les gaz de combustion chauds, est dirigé de façon à traverser le passage d'écoulement de l'air défini par la surface intérieure 22 et la garniture 60 dans le sens indiqué par la flèche 62. Cet air plus froid absorbe la chaleur à travers les garnitures 60 des gaz de combustion chauds sortant en traversant la tuyère d'échappement et est dirigé par l'intermédiaire des orifices 38 pour entrer dans le déflecteur 28 d'échange de chaleur comme cela est représenté par les flèches 63. Dans le cas o la tuyère comprend la qarniture 60 et/ou la source de gaz chauds est l'air d'une soufflante s'écoulant - 10 - dans le passage 61 entre la garniture 60 et la suface intérieure 22, les orifices 38 du moyen directeur sont de préférence placés à proximité de l'extrémité en aval des parois latérales 16 et 18 de façon que l'air de la soufflante traversant le passage 61 prélève suffisamment de chaleur dans les gaz de combustion chauds se trouvant dans la tuyère d'échappement à travers la garniture 60 pour chauffer sensiblement la surface extérieure 24 de la paroi latérale alors que l'air chaud de la soufflante est dirigé par l'intermédiaire du déflecteur 28 d'échange de chaleur. Dans le cas o la source de gaz chauds est l'air de la soufflante traversant le passage 61 d'écoulement d'air, un limiteur de débit 64 peut être fixé à la surface intérieure 22 dans le passage 61 immédiatement en aval des orifices 38 de manière à augmenter la pression de l'air à l'entrée des orifices 38 sur la surface intérieure 22 de la paroi latérale, entraînant l'air dans les passages 30 du déflecteur 28. Un tel limiteur peut être nécessaire dans le cas ou les orifices d'entrée 38 sont disposés à proximité de l'extrémité en aval des parois latérales o la pression de l'air de la soufflante à l'entrée des orifices 38 n'est pas suffisante pour entraîner les gaz chauds dans le déflecteur 28. En liaison avec la figure 10, le déflecteur 28 d'échange de chaleur peut être fixé à la surface extérieure 24 de la paroi latérale par tout moyen approprié. Par exemple, on peut braser les passages adjacents semi-cylindri- ques 30 à la surface extérieure 24 au droit d'une partie 66 du déflecteur 28 reliant des passages contigus 30. Le technicien trouvera rapidement d'autres moyens pour fixer le déflecteur 28 à la surface extérieure 24 sans sortir du cadre de la présente invention. Enfin, bien qu'on ait décrit le déflecteur 28 comme étant un échangeur de chaleur du type à serpentin, à deux passes, le moyen d'échange de chaleur n'est pas ainsi limité et toute configuration désirée pour le déflecteur 28 peut - 11 - être employée dans la mesure o celle-ci fournira des variations suffisantes pour chauffer la surface extérieure 24 des parois latérales 16, 18. 254'0?I - 12 - REVEND I CATIONS 1. Tuyère (10) à deux dimensions, à surface variable, pour l'échappement d'un courant de gaz de combustion chauds sortant d'un moteur à réaction, caractérisée en ce qu'elle comprend: des volets d'échappement supérieur et inférieur mobi- les (12, 14), disposés entre des parois latérales fixes (16, 18) pour définir au moins une partie du trajet d'échappement de la tuyère, chaque paroi latérale présentant une surface intérieure (22) et une surface extérieure (24); un moyen d'échange de chaleur, disposé sur la surface extérieure (24) de chaque paroi latérale, pour chauffer cette surface extérieure de chaque paroi latérale afin de réduire le différentiel de température entre les surfaces intérieure et extérieure; et une source de gaz chauds et un moyen pour diriger le gaz chaud afin de le faire entrer dans le moyen d'échange de chaleur. 2. Tuvère selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen d'échange de chaleur comprend une paire de déflecteurs d'échange de chaleur (28), chacun ayant une multitude de passages adjacents (30) se terminant à une extrémité dans une chambre (36) , et en ce que le moyen directeur comporte une multitude d'orifices (38) s'étendant à travers chacune des parois latérales et communiquant avec des passages adjacents sélectionnés du déflecteur respectif au droit de la surface extérieure de la paroi latérale. 3. Tuyère selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend une plaque de couverture (37) espacée de la surface extérieure (24) de la paroi latérale et recouvrant le déflecteur d'échange de chaleur (28). 4. Tuyère selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque passage (30) a une section transversale sensible- ment semi-cylindrique avec son diamètre contigu à la surface extérieure de la paroi latérale. - 13 - 5. Tuyère selon la revendication 2, caactérisée en ce que les passages adjacents (30) de chacun des déflecteurs (28) sont en alignement par rapport à la tuyère de manière à avoir une extrémité en amont et une extrémité en aval par rapport au trajet d'écoulement des gaz de combustion dans la tuyère. 6. Tuyère selon la revendication 5, caractérisée en ce que les orifices (38) du moyen directeur communiquent avec des passages alternés (30) de chaque déflecteur. 7. Tuyère selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque déflecteur comporte une multitude d'ouvertures de sortie (40), communiquant avec l'atmosphère, disposées dans les passages adjacents qui ne communiquent pas avec les orifices (38) du moyen directeur. 8. Tuyère selon la revendication 7, caractérisée en ce que la chambre (36) de chaque déflecteur est disposée à proximité des extrémités en amont des passages (30), et les ouvertures de sortie (40) et les orifices (38) sont disposés à proximité de l'extrémité en aval des passages respectifs, -en ce que le gaz chaud provenant de la source de gaz chauds passe par les orifices dans une première direction (44) pour traverser des passages alternés et entrer dans la chambre et de la chambre traverse les autres passages dans une seconde direction (46) opposée à la première pour sortir par les ouvertures. 9. Tuyère selon la revendication 2, caractérisée en ce que les orifices (38) du moyen directeur communiquent avec le trajet d'échappement de la tuyère au droit de la surface intérieure (22) des parois latérales, et la source de gaz chauds est constituée des gaz de combustion chauds s'échap- pant du moteur à réaction en passant par la tuyère (10). 10. Tuyère selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une garniture (60) espacée de la surface intérieure (22) de la paroi latérale de manière à définir entre elles un passage (61) d'écoulement d'air pour - 14 - diriger l'air de la soufflante provenant du moteur à réaction le long de la surface intérieure de la paroi latérale, les orifices (38) du moyen directeur communiquant avec le passage d'écoulement d'air au droit de la surface intérieure de la paroi latérale, et en ce que l'air de la soufflante circulant dans le passage d'écoulement d'air comprend la source de gaz chauds. 11. Tuyvère selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen pour canaliser l'air de la soufflante à partir du passage d'écoulement d'air pour le faire entrer dans les orifices (38) de la paroi latérale. 12. Tuvère selon la revendication 10, caractérisée en ce que le moyen de canalisation comprend un limiteur de débit (64) placé dans le passage d'écoulement d'air en aval des orifices (38) pour augmenter la pression de l'air de la soufflante à l'entrée des orifices. 13. Tuyère selon la revendication 2, caractérisée en ce que caque passage (30) du déflecteur (28) est espacé de ses passages adjacents par une partie plate (66) contiguë à la surface extérieure de la paroi latérale, le déflecteur étant fixé à la surface extérieure par brasage de la partie plate à la surface extérieure (24).