Brevet FR2645594A1 — publié le 19901012

La présente invention concerne des tuyères d'échappe- ment pouvant être vectorisées et plus particulièrement une tuyère d'échappement perfectionnée qui permet d'obtenir une vectorisation de la poussée dans le sens du tangage et du lacet. Les concepteurs des avions et plus particulièrement ceux étudiant les avions militaires extrêmement maniables et à vitesse élevée cherchent constamment à obtenir une meil- leure façon de contrôler l'avion et d'augmenter sa manoeuvra- bilité en vol. Ces améliorations sont indispensables pour éviter les missiles anti-avions et pour effectuer d'autres manoeuvres en combat. Les concepteurs des avions essaient d'autre part d'améliorer les possibilités de décollage et d'atterrissage courts d'un avion. On a adapté les systèmes d'échappement, en particulier pour les avions militaires modernes, à haute vitesse, afin d'obtenir un degré de manoeuvrabilité élevé dans une vaste plage de conditions de vol dont l'altitude, la vitesse et le nombre de Mach tout en maintenant l'efficacité du vol en croisière. La manoeuvrabilité d'un avion peut être assurée par ses gouvernes telles que les volets hypersustentateurs, les ailerons ou les gouvernails. Cependant, ces moyens sont quelque peu limités en matière d'efficacité à cause des grandes différences rencontrées dans les conditions opéra- -2- tionnelles d'un vol telles que la vitesse de l'air. Les tuyères de vectorisation de la poussée, bien que souvent plus compliquées, sont plus efficaces car elles permettent d'ap- pliquer rapidement des poussées élevées dans le sens du tangage et du lacet de l'avion, conférant à celui-ci une meilleure manoeuvrabilité, laquelle est relativement indépen- dante de la vitesse de l'air. En dehors de la manoeuvrabilité en vol, les concep- teurs des avions souhaitent optimiser l'efficacité du vol en croisière, celle-ci pouvant être obtenue par l'emploi d'une tuyère d'échappement à géométrie variable montée sur le moteur à turbine à gaz. Une tuyère à géométrie variable permet de modifier les dimensions du col de la tuyère et de sa sortie en réponse aux changements des conditions de vol, telles que la vitesse de l'air et l'altitude. La plupart des tuyères d'échappement pour avion à haute vitesse emploient une tuyère d'échappement convergente-divergente. On connait bien -les tuyères convergentes-divergentes et l'on sait que la surface de la section transversale d'une tuyère d'échappement diminue dans la direction de l'aval jusqu'à un endroit de surface minimale, appelé col, puis augmente jusqu'à l'extré- mité en aval ou sortie de la tuyère. Les tuyères d'échappe- ment sont souvent rendues variables par l'emploi d'une multitude de sections mobiles de tuyère de manière à obtenir les surfaces désirées pour le col et la sortie. Les tuyères dans lesquelles on peut commander les dimensions du col et de la sortie sont généralement appelées tuyères variables. Les tuyères convergentes-divergentes à deux dimensions ont la préférence pour la facilité avec laquelle elles peuvent effectuer la commande du tangage en utilisant les mêmes volets à position variable, ou volets variables, que ceux servant à maintenir les surfaces désirées pour le col et la sortie. Les réalisations courantes de tuyères d'échappement pouvant être vectorisées sont limitées en matière d'effica- -3- cité de la poussée dans le sens du lacet. Bien que la commande du tangage puisse être effectuée avec un volet à deux dimensions, il est très difficile d'obtenir celle du lacet dans une telle réalisation. Des moyens qu'on a suggérés pour fournir la vectorisation de la poussée dans des tuyères à deux dimensions dans le sens du lacet comprennent la mise sur suspension à la cardan de la totalité de la tuyère ou le pivotement de volets fractionnés d'une manière symétrique autour d'un axe de façon à conférer à l'avion un mouvement de pivotement. De tels moyens souffrent de plusieurs inconvé- nients, tels qu'une efficacité limitée, le prix à payer en matière de poids et la complexité, par suite des contraintes structurelles, cinématiques ou aérodynamiques. On peut obte- nir des degrés plus grands du mouvement de pivotement en combinant des volets avec une tuyère montée sur une suspen- sion à la cardan. Cependant, les tuyères de ce type nécessitent généralement un matériel et des commandes compli- qués et sont donc chères et lourdes. En plus de la complexité des tuyères à poussée vectorisée multi-directionnelle, il y a les problèmes d'inté- gration de la tuyère dans l'avion. Cela entrave le fonction- nement et les performances des tuyères ainsi que celles de l'avion. Compte tenu des problèmes venant d'être exposés, la présente invention a par conséquent pour objet des moteurs à turbine à gaz comportant des moyens perfectionnés pour vectoriser l'écoulement des gaz d'échappement, ou poussée, d'un moteur à turbine à gaz-d'avion. La présente invention a pour autre objet une tuyère pouvant être vectorisée pour le tangage avec les moyens de vectorisation pour le lacet. La présente invention a encore pour objet une tuyère pouvant être vectorisée pour le tangage avec des moyens de vectorisation pour le lacet qui n'entravent pas sensiblement les performances de l'avion, du moteur à turbine à gaz ou de la tuyère du moteur. - 4 - La présente invention a pour autre objet une tuyère d'échappement à géométrie variable avec une possibilité de vectorisation de la poussée dans le sens du lacet. La présente invention a aussi pour objet une tuyère d'échappement pouvant être vectorisée,; à géométrie variable, avec une possibilité de vectorisation dans le sens du tangage et du lacet, qui soit compacte, d'une structure simple et de faible poids. Un objet supplémentaire de la présente invention est une tuyère d'échappement pouvant être vectorisée dans le sens du tangage, à géométrie variable, ayant une possibilité de vectorisation dans le sens du lacet, qui soit facilement intégrée dans un avion. La présente invention a pour autre objet une tuyère d'échappement pouvant être vectorisée dans le sens du tangage, à géométrie variable, convergente-divergente, à deux dimensions (CD2D), avec une possibilité de vectorisation dans le sens du lacet. La présente invention, selon l'un de ses modes de réalisation, comprend un moyen de vectorisation dans le sens du lacet afin de vectoriser la poussée d'un moteur à turbine à gaz dans le sens du lacet, un moyen pour arrimer le moyen de vectorisation en matière de lacet dans une position pratiquement non-gênante par rapport à l'écoulement des gaz d'échappement de la tuyère, et un moyen pour déployer le moyen de vectorisation dans le sens du lacet à un angle de déviation par rapport à l'écoulement en l'absence de lacet à l'intérieur de la section divergente de la tuyère. La présente invention, selon l'un de ses modes de réalisation, comprend une tuyère d'échappement pour moteur à turbine à gaz qui permet la vectorisation de la poussée du moteur dans le sens du lacet. La tuyère comprend des volets formant déflecteurs qui peuvent être déployés dans l'écoule- ment suivant un certain angle par rapport au plan de l'écoulement non dévié à l'intérieur de la section divergente -5- de la tuyère. La présente invention, selon un mode plus particulier de réalisation, comprend une tuyère convergente-divergente à deux dimensions pour un moteur à turbine à gaz qui peut faire varier les dimensions de la surface de son col et vectoriser la poussée du moteur dans le sens du tangage et du lacet. La tuyère d'échappement comprend un jeu de volets supérieurs et inférieurs convergents, reliés en pivotement à une structure fixe de la tuyère, et un jeu de volets supérieurs et inférieurs divergents, chaque volet étant disposé en aval de l'extrémité en aval d'un volet convergent correspondant en étant connecté en pivotement à cette extrémité. La tuyère d'échappement comporte une multitude de volets formant déflecteurs, connectés en pivotement à des volets divergents correspondants et des moyens pour déployer les volets suivant un certain angle par rapport au sens général de l'écoulement non soumis à lacet à l'intérieur de la section divergente de la tuyère. Dans un mode de réalisation plus particulier de l'invention, les volets formant déflecteurs sont articulés sur les volets divergents suivant un certain angle par rapport au sens général de l'écoulement non soumis à lacet le long des volets divergents, et les moyens pour déployer par pivotement les volets formant déflecteurs comportent de préférence des actionneurs rotatifs disposés sur le côté froid des volets divergents et une tringlerie appropriée reliée aux volets formant déflecteurs. La tuyère peut comporter des parois latérales et des parois supérieure et inférieure. Des volets formant carénage sont utilisés pour maintenir un écoulement aérodynamique régulier sur les côtés extérieurs des volets, et des portes d'inversion de la poussée peuvent être incorporées pour provoquer l'inversion de la poussée du moteur. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: - 6 - Figure 1, une vue schématique de côté d'un moteur à turbine à gaz comportant une tuyère d'échappement selon la présente invention, figure 2, une vue partielle en perspective de la tuyère d'échappement convergente-divergente à deux dimensions comprenant les volets convergents et divergents et les volets formant déflecteurs et les actionneurs rotatifs, figure 3, une vue en coupe de la tuyère d'échappement du moteur à turbine à gaz de la figure 1; figure 4, une vue arrière du volet supérieur divergent de la tuyèred'échappement de la figure 2, montrant un premier moyen pour arrimer les volets formant déflecteurs d'une façon régulière sur le plan aérodynamique, sans obstruction. En figure 1, on a représenté un moteur 10 à turbine à gaz d'avion présentant un axe 11, qui incorpore une tuyère d'échappement 22 convergente-divergente, à deux dimensions, pouvant être vectorisée, reliée au reste du moteur par une conduite de transition ou section 20. La fonction de la conduite 20 est de faire passer l'écoulement des gaz d'échappement du moteur d'une section transversale circu- laire, qu'on appelle en général écoulement symétrique autour d'un axe, à une section rectangulaire ou écoulement à deux dimensions (2D), ce qui permet la réalisation et l'utilisa- tion d'un moyen de vectorisation de la tuyère à deux dimensions dans le sens du tangage qui soit mécaniquement simple et fiable. A ce stade, il est important de définir les conventions utilisées pour décrire les directions et le cadre de référence pour l'écoulement, le mouvement des divers éléments de la tuyère d'échappement tels que les volets, l'avion, et le moteur. Comme représenté en figure 1, les directions avant et arrière désignent les directions vers l'entrée et la sortie, respectivement, du moteur 10, alors que les expressions gauche et droite correspondent à la définition classique qu'une personne leur donnerait lorsque -7 - son regard est dirigé de l'arrière vers l'avant. Les expressions supérieur (haut) et inférieur (bas) sont définies de la manière classique comme représentant le dessus et le dessous de l'axe 11 du moteur, respectivement, comme cela est indiqué en figure 1. A titre d'exemple seulement, l'ensemble supérieur à volets 14, l'ensemble inférieur à volets 15, la paroi latérale droite 16, et la paroi latérale gauche 17 sont représentés comme étant des exemples de la nomenclature qu'on emploie ici pour définir la direction et le cadre de référence. D'autres conventions qu'on utilise ici sont S pour supérieur et I pour inférieur et SG pour supérieur gauche, SD pour supérieur droit, IG pour inférieur gauche et ID pour inférieur droit. On utilise le tangage et le lacet comme directions de référence pour l'écoulement de la tuyère d'échappement indiqué par la flèche 13 en figure 1 et la poussée ou direction de l'avion, o le tangage concerne généralement la direction suivant une ligne allant du haut vers le bas. Le lacet est perpendiculaire tant au sens du tangage qu'à l'axe 11 du moteur, donc suit la direction d'une ligne allant de la gauche vers la droite. La tuyère d'échappement 22 fournit une sortie pour les gaz d'échappe- ment 13 quittant le moteur 10 dans la direction arrière, d'o la production d'une poussée ou force propulsant l'avion (non représenté) sur lequel le moteur est fixé. La figure 1 représente la tuyère 22 dans une position non-vectorisée et par conséquent le sens TO des gaz d'échappement coïncide généralement avec l'axe 11. Bien qu'on décrive le mode de réalisation préféré de la présente invention comme employé dans une tuyère à deux dimensions, on remarquera que l'invention peut être utilisée dans d'autres modes de réalisation, par exemple avec des tuyères ayant des sections transversales, triangulaires ou trapézoïdales. En liaison maintenant avec les figures 2 et 3, dans lesquelles on a représenté la tuyère 22 avec davantage de détails et dans des positions correspondant au tangage et au -8- lacet, la tuyère 22 est divisée en trois sections suivant la définition classique, à savoir une section convergente 24, une section divergente 30, et un col 34 entre les deux précédentes. La section convergente 24 comprend une paroi supérieure 18S et une paroi inférieure 18I. La paroi supérieure 18S et la paroi inférieure 18I et les parois latérales 16 et 17 sont généralement des structures fixes. On entend par "structure fixe" une structure qui est statique, ou immobilisée, par rapport à une référence, par exemple le fuselage de l'avion, ou le carter du moteur. Comme on le discutera ciaprès, de telles structures fixes constituent des montures appropriées sur lesquelles on peut fixer des éléments pouvant pivoter. Des volets supérieur et inférieur principaux (conver- gents) 26S et 26I, respectivement, sont fixés par pivotemet aux extrémités arrière des parois supérieure et inférieure 18S et 18I par des premiers moyens de fixation pivotants supérieur et inférieur 28S et 28I, respectivement. Les volets principaux peuvent être mis en position, de préférence par pivotement, afin de faire varier les dimensions du col 34 de la tuyère. Des volets supérieur et inférieur secondaires (ou divergents) 32S et 32I sont fixés par pivotement aux extrémités arrière des volets supérieur et inférieur princi- paux 26S et 26I, respectivement, par des seconds moyens de fixation pivotants supérieur et inférieur 36S et 36I, respectivement. Les volets secondaires peuvent être mis en position, de préférence par pivotement, de manière à faire varier les dimensions de la sortie de la tuyère et à diriger l'écoulement des gaz d'échappement dans le sens du tangage. Les moyens de fixation pouvant pivoter peuvent être des charnières ou des axes. La source d'alimentation en énergie peut être mécanique, pneumatique, hydraulique ou électrique par nature. Si on utilise une charnière ou un axe, on peut alors employer un ou plusieurs actionneurs en même temps qu'une tringlerie mécanique telle que celle connue dans la 2645S94 - 9 - technique et représentée dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 275 276, qu'on incorpore ici à titre de référence. Chaque volet convergent et chaque volet divergent sont représentés en figure 2 comme pouvant pivoter jusqu'à des positions pouvant être choisies indépendamment de n'im- porte quel autre volet convergent ou divergent, ce qui permet de faire varier sélectivement les dimensions de la surface du col de la tuyère et de la surface de sortie, ainsi que la poussée du moteur devant être vectorisée suivant un angle désiré dans le sens du tangage. Comme cela est représenté en figures 2 et 4, quatre volets formant déflecteurs 70SG, 70SD, 70IG et 70ID, qu'on désigne ici dans leur ensemble par volets 70 formant déflecteurs, sont montés en pivotement sur leurs volets respectifs secondaires supérieur et inférieur par une char- nière 60 ou de quelqu'autre manière appropriée de façon à pouvoir être déployés dans l'écoulement des gaz d'échappement de la tuyère à des angles sélectionnés par rapport au sens de l'écoulement TO en figure 1, ou en variante T1 en figure 3, d'o la fourniture d'une poussée pouvant être contrôlée dans la direction du lacet, ou direction latérale, fournissant une poussée vectorisée dans le sens du tangage et dans le sens du lacet comme cela est décrit par T2 en figure 2. La direction de l'écoulementdes gaz d'échappement T1, sans lacet, coïncide généralement avec l'axe lin de la tuyère. Un moyen pour déployer chacun des quatre volets 70 formant déflecteurs est représenté en figures 2 et 3 et comprend la charnière 60 connectant en pivotement le volet 70 au volet secondaire 32 suivant un certain angle du volet secondaire par rapport au sens de l'écoulement des gaz d'échappement ou axe de la tuyère et un actionneur rotatif 56 qui, avec un moyen de tringlerie mécanique approprié 58, forme un moyen relative- ment simple et fiable pour faire tourner le volet 70 autour de l'axe 61 de sa charnière, lequel coïncide généralement avec la charnière 60 dans les figures, d'o la rotation ou la - 10 - déviation d'une partie de l'écoulement des gaz d'échappement et la vectorisation de la poussée dans le sens du lacet. Comme on peut le voir en figure 2, chaque volet formant déflecteur et un moyen individuel de déploiement est la symétrie d'un volet formant déflecteur et d'un moyen de déploiement. Cette disposition généralement symétrique est particulièrement utile dans un avion à un seul moteur mais peut être modifiée ou changée pour des bimoteurs tels que les avions dits F18 ou F14. Cet agencement permet de déployer un volet individuel formant déflecteur, soit indépendamment soit en conjonction avec un autre volet, indépendamment de la position de l'un ou l'autre volet convergent ou divergent. Cette possibilité est particulièrement utile pour faire manoeuvrer l'avion en commandant simultanément, dans n'im- porte quelle combinaison, la poussée totale et sa direction tant dans le sens du tangage que dans le sens du lacet. Cela est effectué en commandant simultanément la surface du col 34 et celle de la sortie de la tuyère, vectorisant la poussée dans le sens du tangage en faisant pivoter les volets secondaires 32, et dans certains modes de réalisation les volets primaires 26 également, et ou en vectorisant la poussée dans le sens du lacet par déploiement des volets 70 formant déflecteurs. Comme représenté en figure 4, un évidemment 80 ayant un contour permettant de recevoir le volet 70 formant déflecteur est ménagé de manière à arrimer le volet, former un trajet d'écoulement continu, aérodynamique, pour les gaz d'-échappement à travers les surfaces intérieures des volets divergents 32S et 32I et minimiser toute perturbation créée dans l'écoulement des gaz d'échappement par les volets 70 lorsqu'ils ne sont pas déployés et se trouvent dans la position d'arrimage. L'évidement 80 ayant une profondeur égale à environ l'épaisseur du volet 70 permet l'arrimage du volet de manière à former une surface intérieure 80 à ras, généralement continue, sur le volet secondaire 32. - 11l De manière à obtenir une surface régulière sur le plan aérodynamique pour l'écoulement de l'air à travers la partie supérieure et la partie inférieure de la tuyère 22, un moyen de carénage 90 emploie des volets 96a et 96b de carénage antérieur et postérieur, se chevauchant, respectivement, comme on le voit le mieux en figures 2 et 3. Chaque volet 96a et 96b est en général disposé à l'extérieur de chaque section convergente et divergente, 24 et 30, respectivement, en engagement de chevauchement, ce qui permet une variation des positions primaire et secondaire tout en conférant une surface régulière relativement aérodynamique pour le passage de l'air au-dessus et au-dessous de la tuyère 22. On connait dans la technique divers moyens pour conférer de tels carénages et un exemple est donné dans le brevet mentionné ci-dessus. L'un des avantages de la présente invention est que le moyen permettant de produire la poussée dans le sens du lacet est mécaniquement simple et structurellement compact et par conséquent peut être recouvert facilement par un tel moyen aérodynamique de carénage 90, ce qui augmente le rendement du moteur 10 à turbine à gaz et fournit une protection pour les divers mécanismes des moyens de vectori- sation de la poussée contre l'exposition à l'air de haute vitesse, potentiellement dangereux, qui s'écoule au droit de la tuyère 22. Chaque volet 70 formant déflecteur a de préférence des dimensions et une forme qui maximalisent sa surface de déviation mais ne permettent pas aux volets supérieur et inférieur de se chevaucher ou de se gêner lors de leur déploiement maximum jusque dans l'écoulement des gaz d'échap- pement et autorisent le choix d'une ouverture minimum présélectionnée ou nominale entre les volets supérieur et inférieur secondaires. Par conséquent, comme on peut le voir en figures 2 et 3, les volets 70 formant déflecteurs ont la forme d'un quadrilatère, c'est-à-dire qu'ils ont quatre côtés inégaux. - 12 - La tuyère d'échappement 22 fonctionne de là façon suivante. Tout d'abord en liaison avec la figure 2, la tuyère 22 a la configuration d'un tuyère classique convergente- divergente à deux dimensions, avec les quatre volets 70 formant déflecteurs placés de la même façon, s'agissant de chaque volet, par rapport à l'axe 11 du moteur. En outre, chaque volet formant déflecteur est incliné selon la ligne d'articulation 60 suivant un certain angle par rapport à l'axe 11n des volets secondaires qui coïncide généralement avec l'écoulement le long de son volet secondaire respectif 32. Chaque paire droite ou gauche des volets 70 formant déflecteurs est en alignement suivant la même distance par rapport à l'axe 11 du moteur lorsque la tuyère 22 se trouve dans l'angle zéro lors du mode en tangage. Dans cette configuration, les gaz d'échappement sortent de la tuyère comme cela est décrit en gros par la flèche T dans la direction de l'arrière parallèle à l'axe 11 de la figure 1. La poussée du moteur, qui a une direction opposée au sens d'écoulement des gaz d'échappement se produit par conséquent dans la direction de l'avant. - 13 - REVENDICATIONS 1. Dispositif de vectorisation de poussée afin de diriger l'écoulement des gaz d'échappement d'une tuyère (22), caractérisé en ce qu'il comprend: au moins un volet formant déflecteur (70), articulé sur la tuyère de sorte qu'il peut tourner autour d'une ligne (61) située essentiellement sur la surface d'écoulement de la tuyère et un moyen (56, 58, 60) pour déployer le volet pour le faire entrer dans l'écoulement des gaz d'échappement en faisant un certain angle avec le sens d'écoulement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: - deux volets formant déflecteurs (70) disposés de manière symétrique l'un par rapport à l'autre. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend: deux jeux de volets formant déflecteurs (70), un jeu étant disposé en étant symétrique par rapport à l'autre, et chaque jeu comprenant deux des volets formant déflecteurs qui sont disposés en étant symétriques l'un par rapport à l'autre. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: deux des volets formant déflecteurs (70) qui sont disposés aux côtés généralement opposés de la tuyère. 5. Tuyère convergente-divergente, à deux dimensions, de vectorisation de poussée (22), caractérisée en ce qu'elle comprend: un jeu supérieur et un jeu inférieur de volets convergents (26), un jeu supérieur et un jeu inférieur de volets divergents (32) connectés de manière à pouvoir pivoter sur leurs volets convergents respectifs; des parois du côté gauche (17) et du côté droit (16) disposées à l'extérieur des volets en étant généralement - 14 - perpendiculaires à ceux-ci et en contact d'étanchéité avec l'écoulement et en contact coulissant avec lesdits volets; au moins quatre volets formant déflecteurs (70) articulés sur la tuyère de façon à pouvoir tourner autour d'une ligne (61) se trouvant essentiellement sur la surface d'écoulement de la tuyère, et des moyens (56, 58, 60) pour déployer les volets jusque dans l'écoulement de façon-que la surface des volets déviant l'écoulement soit en regard du centre de l'écoulement des gaz d'échappement et suivant un angle aigu par rapport à la direction de l'écoulement des gaz d'échappement. 6. Tuyère convergente-divergente, à deux dimensions, pouvant être vectorisée (22), caractérisée en ce qu'elle comprend: une section convergente (24), une section divergente (30), un col (34) entre les deux sections précédentes, et un moyen pour dévier au moins une partie de l'écoulement des gaz d'échappement dans la direction du lacet à l'intérieur de la section divergente. 7. Tuyère selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend: un moyen pour faire varier la surface du col (34). 8. Tuyère selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend: des volets divergents supérieur et inférieur (32) dans la section divergente (30), et en ce qu'au moins un moyen de déviation est monté sur l'un des volets divergents. 9. Tuyère selon la revendication 8, caractérisée en ce que le moyen de déviation comprend: au moins un volet formant déflecteur (70) articulé sur l'un des volets divergents de façon à pouvoir tourner autour d'une ligne (61) se trouvant essentiellement sur la surface du volet divergent et des moyens (56, 58, 60) pour déployer le volet jusque dans l'écoulement gazeux et suivant un certain angle par rapport à cet écoulement, le long de la - 15 - surface d'écoulement du volet divergent. 10. Tuyère selon la revendication 9, caractérisée en ce que le moyen de déviation comprend: deux des volets formant déflecteurs (70) qui sont disposés en étant symétriques l'un par rapport à l'autre. 11. Tuyère selon la revendication 10, caractérisée en ce que le moyen de déviation comprend: deux jeux de volets formant déflecteurs (70), un jeu étant disposé en étant symétrique par rapport à l'autre et chaque jeu comprenant deux des volets formant déflecteurs qui sont disposés en étant symétriques l'un par rapport à l'autre.