Brevet FR2645595A1 — publié le 19901012

La présente invention concerne des tuyères d'échappe- ment de moteurs à turbine à gaz et plus particulièrement des joints pour emploi entre des volets divergents de tuyères d'échappement pouvant être vectorisées symétriquement par rapport à un axe. On connait des tuyères symétriques par rapport à un axe, à surface variable, par exemple celles employées dans des moteurs tels que le moteur F110 de la société dite General Electric. Les tuyères d'échappement des moteurs de ce type utilisent des volets divergents-convergents et des joints pour commander aérodynamiquement l'écoulement d'échap- pement afin de transformer la pression et l'énergie thermique de l'écoulement d'air sortant de la chambre de combustion en vitesse et poussée dirigée vers l'avant pour le moteur. La façon et le moyen de fournir de telles tuyères sont représentés dans de nombreuses publications dont les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 4 176 792, 4 245 787 et 4 128 208, qu'on incorpore ici à titre de référence. Une fonction nouvelle, appelée vectorisation de la poussée, a été ajoutée à ce type de tuyère comme cela est représenté par une invention mise au point par la société General Electric Company. Pour comprendre la façon dans laquelle les volets individuels et les'joints sont liés et agissent pour former la tuyère et la fonction de vectorisation de la poussée, on - 2 - se reportera à la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 336 369. L'étanchéité entre volets pour des tuyères convergentes-divergentes symétriques par rapport à un axe a toujours soulevé un problème intéressant et a été une sorte de défi pour les concepteurs des tuyères des moteurs à turbine à gaz comme cela ressort de nombreux agencements, conceptions et brevets, dont on cite ici une partie d'entre eux. Les tuyères classiques, dont celles ayant des surfaces variables pour le.col et la sortie, font appel à des volets et des joints de volets qui pivotent suivant les mêmes angles ou modifient leur orientation par rapport à l'axe du moteur de façon généralement simultanée de sorte qu'il n'y a aucune variation circonférentielle de leurs orientations respectives ou angles de pivotement par rapport à l'axe du moteur ou de la tuyère. Une tuyère de vectorisation symétrique par rapport à un axe ajoute une nouvelle dimension à un problème déjà difficile, c'est-à-dire la façon de rendre étanche la partie séparant les. deux surfaces dont l'orientation change constam- ment. La présente invention traite des problèmes de l'étan- chéité d'un joint inter-volet qui assure l'étanchéité entre deux volets divergents adjacents pivotant suivant des angles différents l'un par rapport à l'autre et par rapport à l'axe du moteur. Chaque volet peut pivoter dans un mouvement de précession par rapport au volet convergent ou autre élément de la tuyère auquel il est fixé. On peut décrire le problème d'une autre façon en disant qu'il y a une variation circonférentielle des orientations des volets de la tuyère par rapport à l'axe du moteur ou de la tuyère. Comme avec toutes les réalisations des systèmes de tuyères et de moteurs à turbine à gaz, il est souhaitable que le poids soit faible, que la fabrication, l'entretien et les réparations s'effectuent. facilement et d'une façon peu coûteuse et qu'il y ait une très bonne tenue dans un environnement à haute température et à l'origine de contrain- -3. tes. Par conséquent, la présente invention a pour objet principal d'assurer l'étanchéité entre les volets d'une tuyère de vectorisation, symétrique par rapport à un axe, d'un moteur à turbine à gaz. La présente invention a pour autre objet d'assurer l'étanchéité entre les volets divergents d'une tuyère d'échappement, variable, de vectorisation, symétrique par rapport à un axe d'un moteur à turbine à gaz. La présente invention a encore pour objet d'assurer l'étanchéité entre des volets divergents d'une tuyère d'échappement, variable, de vectorisation, symétrique par rapport à un axe d'un moteur à turbine à gaz, tuyère dans laquelle des volets adjacents sont animés d'un mouvement de rotation suivant des angles ou orientations différents par rapport à l'axe de la tuyère pendant les opérations de vectorisation. La présente invention a encore pour objet d'assurer l'étanchéité entre les volets divergents, avec maintien de l'intégrité de l'étanchéité axiale et circonférentielle dans toute la plage des variations circonférentielles des orienta- tions des volets de la tuyère par rapport à l'axe de la tuyère. La présente invention a aussi pour objet de proposer un moyen d'étanchéité entre les volets divergents d'une tuyère d'échappement, variable, de vectorisation, symétrique par rapport à un axe; de faible poids et dont la fabrication et la réparation sont aisées. La présente invention a pour autre objet de proposer des segments de joint pour un joint inter-volet pour emploi dans une tuyère d'échappement, variable, de vectorisation, symétrique par rapport à un axe, qui facilite la réparation et l'entretien du joint et de la tuyère. En bref, selon un aspect de la présente invention, un joint divergent comprend une colonne qui est de préférence -4- creuse et présente une section transversale quelque peu elliptique, et à son extrémité antérieure se trouve un moyen pour connecter de manière orbitale la colonne à un élément fixe de- joint convergent appartenant à la tuyère. Une multitude de segments de joint sont disposés axialement le long de la colonne et comprennent des moyens de montage pour fixer le segment à la colonne de façon que pendant le fonctionnement de la tuyère des segments contigus se trouvent en contact d'étanchéité par chevauchement. Les sections d'étanchéité s'étendant dans le sens longitudinal présentent des surfaces intérieure et extérieure en regard, et dans lesquelles les surfaces intérieures sont conçues pour être en regard de l'écoulement des gaz d'échappement de la tuyère et un flasque fixé à la section d'étanchéité comprend un moyen de montage qui comporte un trou en double huit pour monter le segment dé joint de façon à lui permettre de tourner autour de l'axe de la colonne. Un mode de réalisation plus particulier du joint comporte des segments, o la section d'étanchéité est incurvée vers l'extérieur dans la direction vers laquelle la surface extérieure est pointée. Les segments sont incurvés vers l'axe de la tuyère et il y a une variation de leur courbure le long de la colonne, les segments à l'extrémité arrière étant les plus incurvés et le segment le plus en avant ayant le degré de courbure le plus faible. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en perspective d'une section de tuyère d'échappement, variable, à vectorisation de la pous- sée, symétrique par rapport à un axe, de moteur à turbine à gaz et un moyen de joint selon la présente invention; figure 2, une vue en perspective du joint divergent de la présente invention; figure 3, une vue de dessus, du joint entre volets de la présente invention; - 5 -- figure 4, une vue en coupe du joint de la figure 2 prise le long de son axe; figure 5, une vue en coupe du joint de la figure 2, de l'arrière vers l'avant, prise à un endroit relativement en amont du joint et décrivant la cambrure relativement petite d'un segment d'étanchéité; figure 6, une vue en coupe du joint de la figure 2, de l'arrière vers l'avant, prise à un endroit relativement en aval du joint et décrivant une cambrure relativement grande d'un segment d'étanchéité vers l'extrémité arrière du joint; figure 7, une vue de l'extrémité arrière, en regardant vers l'avant du joint de la figure 2. figure 8, une vue en coupe du joint de la figure 2, de l'arrière vers l'avant, prise à travers un flasque d'un segment d'étanchéité; figure 9, une vue éclatée de la vue en coupe du joint de la figure 4; figure 10, une vue de l'arrière vers l'avant de la figure 1, représentant la tuyère d'échappement à un angle de déviation ou angle de vectorisation de 0 degré; figure 11, une vue de l'arrière vers l'avant de la figure 1, représentant la tuyère d'échappement à un degré négatif, donné à titre d'exemple, de l'angle de déviation ou angle de vectorisation. En liaison maintenant avec la figure 1, on a repré- senté dans son ensemble par la référence 10 une tuyère de vectorisation symétrique par rapport à un axe d'un moteur à turbine à gaz, comprenant une enveloppe 12 et, dans le sens de l'écoulement, une section convergente 18, un col 24, et une section divergente 26 selon le mode de réalisation préféré de la tuyère décrite dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique mentionnée ci-dessus. La présente invention est représentée dans son ensemble par un joint divergent 30 placé circonférentiellement entre des volets divergents 28 qui sont disposés sur la circonférence de l'axe - 6 - 8 de la tuyère symétrique par rapport à cet axe. Les volets divergents 28 sont commandés de manière à définir le trajet d'échappement des gaz de la tuyère et le sens de leur écoulement. Des volets extérieurs 16 fournissent un carénage aérodynamique autour des sections convergente et divergente de la tuyère 10. Le fonctionnement classique de tuyères symétriques par rapport à un axe implique l'ouverture et la fermeture de la surface de sortie de la tuyère A9 ou de la surface A8 du col, ou bien des deux. Dans l'un ou l'autre cas, la configuration de la tuyère reste symétrique par rapport à un axe et l'orientation de chaque volet divergent 28 par rapport à un autre volet divergent reste en général la même. Dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, le joint divergent 30 a pour objet de recevoir des moyens pour vectoriser la poussée du moteur en faisant pivoter les différents volets divergents 28 jusqu'à des angles différents par rapport à leurs positions de symétrie autour du même axe. Les volets divergents pivotent dans la direction radiale R par rapport à l'axe 8 de la tuyère et dans la direction tangentielle T (comme on le voit plus clairement en figures 10 et 11). Une autre façon de considérer l'opération de vectorisation est qu'en formant la section 26 de tuyère divergente, des volets divergents, circonférentiellement adjacents, sont amenés à pivoter jus- qu'à des orientations différentes de celles des volets adjacents. En liaison avec les figures 2, 3, 4 et 9, le joint divergent 30 comprend une colonne 50 et une multitude de segments uniques 56 de joint qui sont disposés dans le sens axial sur la colonne. Chaque segment 56 comporte une section d'étanchéité 58 en porte-à-faux sur un flasque 60 auquel la colonne 50 est fixée de façon que pendant le fonctionnement du moteur des segments adjacents d'étanchéité soient en contact par chevauchement. Chaque section d'étanchéité 58 de chaque segment de 2645S95 -7- joint 56 est unique le long de la colonne. La différence concerne la courbure de la section d'étanchéité. La courbure la plus grande se trouve à l'extrémité arrière du joint comme on peut le voir clairement en figure 2. Cela peut en outre se voir d'après la courbure progressive de l'interface entre le flasque 60 et la section d'étanchéité 58 de chaque segment successif 56 entre la partie la plus en avant et la partie la plus en arrière. La surface en forme de plan, comme on peut le voir en figure 3, reste de préférence la même dans chacun des segments. Cette différence sert à tenir compte des interstices plus grands entre des volets divergents contigus 28 qui se trouvent à l'extrémité arrière de la tuyère par opposition à l'extrémité avant de la section divergente de la tuyère. De préférence, le segment 56 est estampé dans une tôle, o il faut un jeu de matrices différentespour chaque segment et qui tienne compte du profil précis de chaque segment. De préférence, il y a douze joints divergents 30 dans chaque tuyère et on fait des économies en faisant en sorte que chaque jeu de segments le long d'un joint donné soit le même d'un joint à l'autre sur la circonférence de la tuyère. Le moyen de fixation au flasque comprend une entretoise 64 entre flasques 60 et des rondelles 66 placées entre flasque et entretoise. Chaque extrémité de la colonne est munie d'un chapeau d'extrémité 70 à boulon, sur lequel est vissé un écrou 62 qui sert à serrer l'ensemble. En liaison temporaire avec la figure 8, on voit une section transversale plus détaillée du flasque 60 monté sur la colonne 50. Le flasque 60 comporte une ouverture 72 en forme de trèfle pour recevoir la colonne 50 qui est représentée sous forme d'un tube creux ayant une section transversale elliptique. Dans les figures 5 et 6, on a représenté un moyen 80 de retenue de joint qui comprend un bras 86 et un rail 88 se montant et se déplaçant dans des pistes fixées à des volets divergents adjacents qui ne sont pas représentés. Un tel - 8 - système à piste et rail comprend un dispositif de retenue de joint servant à mettre en alignement les joints et les volets contigus selon une manière connue dans la technique. Le moyen de retenue 80 est monté sur la colonne par un moyen approprié, par exemple en étant fixé à une entretoise 64. En marche, la configuration de la tuyère symétrique par rapport à un axe (figure 10) est rendue asymétrique comme cela est représenté en figure 11 en faisant pivoter les volets divergents 28 dans les directions radiale et tangen- tielle représentées par R et T, respectivement. L'exemple illustré en figure 11 dirige l'écoulement des gaz d'échap- pement dans la direction de l'aval pour produire une poussée vectorisée dans le plan du tangage. Bien qu'on ait représenté les volets comme ayant pivoté généralement dans la direction du bas correspondant à la position six heures des aiguilles d'une horloge, l'orientation de l'inclinaison peut être modifiée pour correspondre à la position neuf heures sur une horloge, d'o la production d'une poussée vectorisée dans le plan du lacet. Enfin, une autre orientation de l'inclinaison produirait une combinaison de poussées vectorisées dans le sens du tangage et du lacet, possibilité extrêmement souhai- table pour les moteurs à turbine à gaz. Pendant la marche, les gaz d'échappement à haute pression poussent les volets et les joints vers l'extérieur, o les volets sont maintenus en place par leurs dispositifs d'actionnement et les joints par le moyen 80 de retenue. Les forces dirigées radialement vers l'extérieur, dues à la haute pression, entraînent les joints qui sont en contact de chevauchement avec les volets adjacents dans la direction radiale de l'intérieur pour être en contact d'étanchéité aux fluides. La présente invention maintient les joints divergents et les segments de joint associés et les sections d'étan- chéité en alignement correct par rapport aux volets diver- gents lorsque ceux-ci subissent un pivotement de manière à - 9 - produire une section de tuyère divergente asymétrique pour la vectorisation de la poussée. La présente invention minimise aussi les fuites pendant l'opération de vectorisation de la poussée. La présente invention assure aussi l'étanchéité entre les volets pendant le pivotement plus classique des volets divergents et convergents de manière à faire varier la surface du col et la surface d'échappement de la tuyère et rendre maximum l'étanchéité avec les volets et minimiser les fuites. Comme on peut le voir en figures 2 à 8, chaque segment de joint 56 peut tourner autour de la colonne 50 de manière à mieux s'orienter de lui-même ou à aligner son segment d'étanchéité 56 afin de rendre maximum l'étanchéité avec les volets divergents contigus 28. La force nécessaire à cette exécution est fournie par les gaz d'échappement à haute pression se trouvant dans la tuyère. La courbure vers l'extérieur du segment de joint 56 améliore en outre la fonction d'étanchéité en maintenant toujours le segment d'étanchéité en tension contre les volets divergents. - 10 - REVENDICATIONS 1. Segment de joint (56) inter-volets (28) dans une tuyère (10) de moteur à turbine à gaz d'avion, caractérisé en ce qu'il comprend: une section d'étanchéité (58) s'étendant longitudina- lement, ayant des surfaces intérieure et extérieure en regard dans lesquelles la surface extérieure est conçue pour être en regard de l'écoulement des gaz d'échappement de la tuyère, un flasque (60) fixé à la section d'étanchéité, et un moyen de montage pour assujettir le flasque au joint inter- volets. 2. Segment de joint selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le moyen de montage comprend un moyen pour permettre au segment de tourner autour d'un axe longitudinal. 3. Segment de joint selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le moyen de montage comprend un trou (72) en forme de trèfle ménagé dans le flasque (60). 4. Segment de joint selon la revendication 3, carac- térisé en ce que la section d'étanchéité (58) est incurvée. 5. Segment de joint selon la revendication 4, carac- térisé en ce qu'au moins une partie de la section d'étan- chéité (58) est incurvée vers l'extérieur dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement. 6. Segment de joint selon la revendication 5, carac- térisé en ce que les sections d'étanchéité ont une degré croissant de courbure dans la direction de l'extrémité arrière de la section. 7. Segment de joint selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le segment (56) est formé à partir d'un seul morceau de tale. 8. Segment de joint divergent (56) pour tuyère (10) de moteur à turbine à gaz d'avion, caractérisé en ce qu'il comprend: une section d'étanchéité (58) s'étendant longitudina- lement, ayant des surfaces intérieure et extérieure en regard - 11 - dans lesquelles la surface extérieure est conçue pour être en regard de l'écoulement des gaz d'échappement de la tuyère, un flasque (60) fixé à la section d'étanchéité, et un moyen de montage pour assujettir le flasque au joint inter- volets. 9. Segment de joint selon la revendication 8, carac- térisé en ce que le moyen de montage comprend un moyen pour- permettre au segment de tourner autour d'un axe longitudinal. 10. Segment de joint selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moyen de montage comprend un trou (72) en forme de trèfle qui est ménagé dans le flasque (60). 11. Segment de joint selon la revendication 10, caractérisé en ce que la section d'étanchéité (58) est incurvee. 12. Segment de joint selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la section d'étanchéité est incurvée vers l'extérieur dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement. 13. Segment de joint selon la revendication 12, caractérisé en ce que les sections d'étanchéité ont un degré croissant de courbure dans la direction de l'extrémité arrière de la section. 14. Segement de joint selon la revendication 13, caractérisé en ce que le segment est constitué d'un seul morceau de tale. 15. Joint divergent (30) pour tuyère (10) de moteur à turbine à gaz d'avion, caractérisé en ce qu'il comprend: une colonne (50); une multitude de segments de joint (56) montés sur la colonne, le segment comprenant une section d'étanchéité (58) s'étendant longitudinalement, ayant des surfaces intérieure et extérieure en regard dans lesquelles la surface extérieure est conçue pour être en regard de l'écoulement des gaz d'échappement de la tuyère, - 12 - un flasque (60) fixé à la section d'étanchéité, et un moyen de montage pour assujettir le flasque au joint inter- volets. 16. Joint selon la revendication 15, caractérisé en ce que le moyen de montage comprend un moyen pour permettre au segment de tourner autour d'un axe longitudinal. 17. Joint selon la revendication 16, caractérisé en ce que le moyen de montage comprend un trou (72) en forme de tréfle dans le flasque et la colonne (50) présente une section transversale en forme d'ellipse. 18. Joint selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la section d'étanchéité est incurvée vers l'extérieur dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement. 19. Joint selon la revendication 18, caractérisé en ce que les sections d'étanchéité ont une degré croissant de courbure dans la direction de l'extrémité arrière de la section d'étanchéité. 20. Joint selon la revendication 19, caractérisé en ce que le segment est constitué d'un seul morceau de tôle.