Brevet FR2649159A1 — publié le 19910104

La présente invention concerne des volets d'échappe- ment comportant des volets de tuyère ainsi que des volets d'étanchéité; elle est plus particulièrement relative aux volets d'échappement qu'on emploie dans la section à tuyère d'échappement d'un moteur à turbine à gaz d'avion. Un moteur à turbine à gaz produit une poussée par réaction en éjectant un courant de gaz à haute vitesse d'une tuyère d'échappement. De l'air pénètre dans un diffuseur d'entrée du moteur et y est comprimé ainsi que dans un compresseur tournant. Il y a addition de chaleur par combustion du carburant dans une section à chambre de combustion. Le gaz chaud se détend dans la section à turbine. Une partie de l'énergie ainsi produite est extraite pour entraîner le compresseur tournant. Une nouvelle détente dans la tuyère d'échappement transforme l'énergie restante du courant gazeux en poussée produisant une haute vitesse pour obtenir la puissance de propulsion. La poussée développée par le moteur peut être comprise entre des centaines de kilogram- mes et plusieurs milliers de kilogrammes. Les moteurs à turbine à gaz qu'on utilise dans certains avions militaires font appel à une tuyère d'échap- pement convergente-divergente à haute pression. Ainsi la section d'échappement du moteur comporte des volets pour la tuyère convergente qui sont montés sur la circonférence dela section d'échappement. Ces volets sont à même de réduire la -2- surface de la section transversale que traverse le gaz d'échappement. La surface la plus étroite de la section transversale formée par les volets constitue le col. Immédia- tement après les volets de la tuyère convergente, les volets de la tuyère divergente sont montés d'une façon similaire en étant articulés sur eux. Ces volets augmentent la surface de sortie que traversent les gaz d'échappement. Aux vitesses à vide et de croisière, les volets des tuyères sont réglés de manière à rendre maximum l'efficacité du carburant. Cepen- dant, au moment du décollage et lors d'un vol accéléré lorsqu'on a besoin d'une poussée maximum, les volets des tuyères sont ajustés de manière à fournir le passage convergent-divergent pour l'écoulement gazeux. Les dimensions du col et de la surface de passage de l'écoulement de sortie sont modifiées de manière à être adaptées aux conditions d'écoulement et de détente pour les diverses vitesses et altitudes que rencontre généralement l'avion au cours de son vol. Les volets de la tuyère qu'on utilise dans les moteurs d'avion sont constitués de jeux de volets individuels, bien que reliés fonctionnellement les uns aux autres. Il s'agit des volets de la tuyère convergente et des volets de la tuyère divergente. Chaque type de volet est monté individuel- lement sur la circonférence intérieure de la section d'échap- pement du moteur. Les volets sont généralement rectangulaires et ont environ de 7 à 15 cm de large. Les volets sont montés de façon à pouvoir se mouvoir autour de points de pivotement afin de se rapprocher ou de S'éloigner d'un axe s'étendant sur la longueur du moteur. Chaque jeu de volets s'étale à la manière d'un éventail lors d'un tel mouvement. Les volets d'étanchéité, dont la construction est similaire à celle des volets de la tuyère, sont généralement placés entre les volets contigus de la tuyère. Les volets d'étanchéité sont montés de manière à se déplacer latéralement par rapport aux volets de la tuyère. Les volets d'échappement constitués des -3- volets de la tuyère et des volets d'étanchéité présentent dans leur ensemble une surface intérieure continue qui dirige l'écoulement gazeux dans la manière désirée. Tous les volets d'échappement sont reliés fonctionnellement de façon à se déplacer simultanément sous l'effet d'un actionneur. Les volets de la tuyère et les volets d'étanchéité de la technique antérieure constituent une structure en une pièce dans laquelle tous les composants sont soudés ensemble. La partie inférieure de forme généralement rectangulaire de chaque volet est dirigée vers l'intérieur et, donc, se trouve directement exposée aux gaz d'échappement du moteur. Des températures pouvant atteindre 1200 C sont courantes. La partie arrière du volet est également soumise à des tempéra- tures élevées, bien que nettement plus faibles, par exemple atteignant environ 400 C. Il y a lieu de remplacer périodiquement les volets de la tuyère et les volets d'étanchéité. En général, la partie inférieure aplatie du volet qui est exposée aux températures les plus élevées se détériore. Les cycles extrêmes transi- toires et à l'état constant de la température auxquels les volets sont soumis lors de la marche sont souvent à l'origine de contraintes thermiques dans la partie inférieure et le résultat final est la formation de fendillements. La répara- tion des volets nécessite un temps d'arrêt important et des pièces de remplacement de coût élevé. En effet, il y a lieu de déconnecter un volet complet de la tuyère ou un volet d'étanchéité de ses biellettes et points de fixation et de monter alors un volet complet de remplacement. Dans le but de satisfaire le besoin qu'on vient d'exposer, on a mis au point des volets d'échappement pour les moteurs à turbine à gaz, qui sont une amélioration de ceux précédemment utilisés. Les volets ont une durée de vie en service plus grande et les temps d'entretien sont plus courts lors de leur remplacement. Selon la présente invention, un volet d'échappement -4- destiné à être monté dans un moteur à turbine à gaz comprend un châssis assemblé allongé, une plaque de base et un moyen de retenue. Le châssis assemblé a une forme généralement rectangulaire avec un fond ouvert. Au moins un rail du châssis comporte un canal destiné à recevoir la plaque de base. La plaque de base est dimensionnée de manière à coulisser dans le canal de réception afin de recouvrir pratiquement le fond du volet et former une surface infé- rieure solide. Le moyen de retenue fixé au châssis maintient solidement en place la plaque de base, tout en pouvant être facilement enlevé pour permettre le remplacement de cette plaque de base. Le volet d'échappement présente une plus grande durée de vie en service grâce à la réduction des contraintes thermiques qu'il doit endurer. De plus, le temps de maintenance impliqué dans le remplacement d'un volet endommagé est sensiblement réduit lorsqu'il se produit une avarie dans la plaque de base. La plaque de base du volet s'enlève facilement alors que le volet d'échappement reste dans le moteur en démontant simplement le moyen de retenue et en remplaçant une plaque de base endommagée par une nouvelle. On évite un démontage complet de la totalité du volet. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une section transversale partielle d'une partie de l'extrémité arrière d'un moteur à turbine à gaz, les volets d'échappement de la présente invention étant montés sur celle-ci; figure 2, une vue en perspective d'un volet de tuyère selon la présente invention; figure 3, une vue de dessus d'un châssis assemblé pour le volet de tuyère de la figure 2; figure 4, une vue inférieure du volet de tuyère de la figure 2, représentant une plaque de base partiellement enlevée du châssis; figure 5, une vue en bout du volet de tuyère de la - figure 3; figure 6, une vue en coupe du volet de tuyère de la figure 2 prise le long de la ligne 6-6 de la figure 3, la plaque de base étant enlevée afin de montrer un ressort d'amortissement, figure 7, une vue de dessous de la plaque de base utilisée dans le volet de tuyère de la figure 2, représentant des bords évidés le long de trois côtés; figure 8, une vue en bout de la plaque de base de la figure 7. Les volets d'échappement de la présente invention comprennent des volets de tuyères divergente et convergente et des volets d'étanchéité convergents et divergents. A des fins d'illustration, on décrira un volet de tuyère diver- gente. On remarquera qu'il faut seulement procéder à des changements de routine pour former les volet d'une tuyère convergente, les volets d'étanchéité convergents et les volets d'étanchéité divergents. En figure 1, on a représenté la partie arrière d'un moteur à turbine à gaz 10. Un capotage extérieur 11 et une coiffe extérieure 12 sont de conception classique. Des jeux de volets 13 de tuyère convergente et de volets 14 de tuyère divergente sont montés dans la section d'échappement de la tuyère. Un système de tuyère axisymétrique est formé. Les volets sont maintenus ensemble par une charnière 15. Chaque volet de la tuyère convergente est fixé en pivotement au capotage 11 par une charnière 16. Chaque volet de la tuyère divergente est fixé en pivotement à la coiffe extérieure 12 par une charnière 17. Un actionneur 18 et une tige d'action- neur 19 sont reliés fonctionnellement aux volets de la tuyère convergente pour provoquer le mouvement simultané des volets. Ce mouvement provoque le pivotement des volets convergents autour de la charnière 16, ce qui a pour effet de les rapprocher ou de les éloigner de l'axe de la section d'échappement. Les volets 14 de la tuyère divergente suivent -6- le mouvement des volets de la tuyère convergente. De plus, les volets d'étanchéité convergents (non représentés) entre- mêlés avec les volets contigus de la tuyère convergente, et les volets d'étanchéité divergents (non repésentés) entre- mêlés avec les volets adjacents de la tuyère divergente se déplacent latéralement en réponse au mouvement des volets de la tuyère. Des bras de liaison 20 reliés à des fins de compression aux volets de la tuyère divergente et au capotage 11 assurent la stabilité. On peut utiliser des types différents d'actionneurs connus. Comme représenté, l'actionneur 18 est un actionneur hydraulique linéaire dans lequel un fluide hydraulique est fourni sous pression par l'intermédiaire de conduites en provenance d'une source de commande. On peut employer d'autres actionneurs du type vérin à vis entraîné par un mouvement de rotation à partir d'un moteur. Bien que n'apparaissant pas dans les dessins, un collier s'étendant autour des surfaces extérieures des volets convergents est connecté aux actionneurs 18. Ainsi, les actionneurs fonction- nent simultanément au même degré. Cela provoque l'ouverture et la fermeture synchrones des volets de la tuyère conver- gente et de la tuyère divergente. La surface des tuyères que traversent les gaz d'échappement pour pioduire la poussée se trouve donc modifié de façon contrôlée en fonction de.la puissance demandée au moteur. Le fonctionnement de base des volets d'échappement de la présente invention est identique à celui des volets d'échappement classique. Selon la présente invention et comme cela est représenté en figures 2 à 8, les volets d'échappe- ment sont construits de manière à avoir une plus grande durée de vie en service et à réduire les temps de maintenance lorsque leur remplacement s'impose. La description qui va suivre concerne un volet de tuyère divergente. L'invention s'applique également aux volets de la tuyère convergente avec les changements indispensables des dimensions à caractère -7- normal. La présente invention s'applique aussi bien aux volets d'étanchéité convergents et divergents comme le remarquera le spécialiste. Le volet 14 de la tuyère divergente est constitué d'un châssis assemblé allongé 21, d'une plaque de base 22 et d'un moyen de retenue 23. Le châssis 21 est généralement constitué d'un alliage métallique résistant aux hautes températures, ses parties individuelles étant soudées les unes aux autres pour former une structure unitaire. L'ensemble comporte un châssis ouvert constitué de rails latéraux 24, 25, d'un rail antérieur 26 et d'un rail d'extrémité 27. Le châssis ouvert est généralement rectangulaire et va quelque peu en rétrécis- sant vers le rail antérieur 26. Les dimensions extérieures du châssis ouvert vont de 7,5 à 15 cm en matière de largeur et de 25 cm à 75 cm en matière de longueur, en fonction de la configuration du moteur dans lequel il est monté. La forme allant en se rétrécissant du châssis ouvert agit en conjonc- tion avec les volets d'étanchéité et lui permet de tenir compte pendant le fonctionnement du mouvement en forme d'éventail des volets. Le rail antérieur peut représenter l'extrémité du châssis ouvert ou, comme représenté, une plaque inférieure 28 peut s'étendre à partir du rail antérieur 26. La plaque 28 permet d'augmenter la résistance mécanique de l'ensemble et peut être utilisée dans la présente invention car elle est exposée à une température inférieure à celle de la plaque de base 22 comme on l'explique ci-dessous. Au moins un rail du châssis ouvert comporte un canal de réception. De préférence, comme on le voit le mieux en figure 6, les rail latéraux 24 et 25 du châssis ouvert comportent chacun un canal de réception 29 sur leur côté inférieur. Des flasques orthogonaux 31 et 32 s'étendent vers l'intérieur à partir de chacun des rails de façon à former des fentes dans lesquelles la plaque de base 22 glisse et est supportée, en étant correctement placée pour son utilisation. -8- De préférence, le rail antérieur 27 comporte également un flasque orthogonal 33 et un canal de réception 30 sur son côté inférieur de manière à recevoir l'extrémité avant de la plaque de base. La figure 4, représentant la plaque de base 22 alors qu'elle est partiellement enlevée du chassis assemblé, sert à illustrer la manière dans laquelle elle se déplace pendant l'assemblage. Le chassis assemblé 21 comporte une superstructure soudée au chassis ouvert à- des fins de renforcement et de montage du moteur. Toujours en liaison avec les figures 2 à 6, on a représenté un flasque d'ossature 35 à double côté qui s'étend sensiblement sur la longueur du chassis ouvert et est fixé à celui-ci à ses extrémités et à des points intermé- diaires par des canaux latéraux de renforcement 36 et un organe de retenue 37 en boucle. Les canaux de renforcement et l'organe de retenue en boucle s'étendent essentiellement en étant perpendiculaires à l'ossature à double côté et sont soudés aux rails latéraux 24 et 25. Des découpes sont pratiquées dans l'ossature 35 pour recevoir les canaux de renforcement et l'organe de retenue en boucle. Chaque volet est monté dans la section à tuyère d'échappement du moteur par des moyens de fixation utilisés en conjonction avec une oreille 38 de volet extérieur, des oreilles 39 de charnière de volet et une oreille 40 de biellette de compression. L'ouverture et la fermeture du volet s'effectuent mécanique- ment par l'intermédiaire des biellettes connectées indirec- tement à l'actionneur 18. Le volet divergent des figures 2 à 6 est connecté en pivotement à un volet convergent aux oreilles 39 par un axe d'articulation. Un support 41 de joint est prévu à chaque côté du flasque 35 de l'ossature pour fixer un volet d'étanchéité (non représenté). La plaque de base 22 utilisée dans le chassis assemblé 21 a une forme généralement rectangulaire et est dimensionnée de manière à coulisser dans les canaux des rails 24, 25 et 26 de manière à recouvrir la surface inférieure du châssis. Ses -9- dimensions se rapprochent donc de la longueur et de la largeur du chassis ouvert. Comme cela apparait en figures 7 et 8, la plaque de base a une épaisseur légèrement inférieure à la hauteur des canaux de manière à permettre son coulisse- ment libre. De préférence, une partie 44 est évidée le long de chaque bord 45 et au bord avant 46. La profondeur de l'évidement est approximativement égale à l'épaisseur des flasques orthogonaux 31, 32 et 33. La largeur de l'évidement est voisine de la distance sur laquelle les flasques s'étendent à partir du bord extérieur de chaque rail. L'objet de l'évidement tel qu'il est ainsi dimensionné est d'aider à l'assemblage et, des plus importants, fournit au volet une surface inférieure sensiblement plate, avec les surfaces des rails et de la plaque de base à ras. La plaque de base 22 peut être constituée du même métal que le chassis assemblé. On a constaté que la durée de vie en service d'un tel volet dépasse celle d'un volet dans lequel la plaque de base et le chassis sont constitués du même matériau, bien qu'unitaires en matière de structure. La théorie montre que les structures en deux pièces comportent de par leur nature même des points de libération des contraintes thermiques provoquées par les températures ex- trêmes qu'on rencontre pendant leur emploi. Cet ainsi qu'il se produit moins de fractures dans la plaque de base du volet de la présente invention. Les rails eux-mêmes du chassis ouvert ne sont pas autant affectées par -les températures extrêmes car ils sont protégés par les volets d'étanchéité en chevauchement. La plaque de base peut être également constituée d'un matériau résistant aux hautes températures. Par exemple, on peut utiliser pour constituer la plaque de base un matériau composite carbone-carbone revêtu ou à matrice céramique. De tels matériaux, qu'on rencontre dans le commerce, ont une très bonne résistance aux hautes températures. Cependant, ils sont difficiles à cambrer ou à souder et comme tels ne - 10 - conviennent pas comme matériaux de construction pour les parties du volet telles que l'ossature, les canaux de renforcement, etc. Cependant, la nature en deux pièces du volet d'échappement de la présente invention permet à chaque partie d'être réalisée avec un matériau qui satisfait le mieux ces paramètres physiques. Un avantage secondaire qu'on obtient éventuellement avec les volets d'échappement de la présente invention est la latitude à fabriquer une plaque de base amovible avec un matériau de la qualité "à faible faculté d'être observé". On sait que de tels matériaux ont la fonction d'absorber les ondes des radars afin d'éviter leur détection par ceux-ci. Un troisième composant du volet de la tuyère est un moyen de maintien en place de la plaque de base 22 pendant la marche. Le moyen de retenue 23 est une pince en forme de U d'une longueur approximativement égale à la largeur du rail d'extrémité 27, avec chaque branche suffisamment longue pour s'étendre sur un flasque vertical 47 situé sur le rail d'extrémité et pour couvrir le bord arrière de la plaque de base. Dans la position correcte, la pince bloque la plaque de base dans le châssis ouvert. Le moyen de retenue comporte de préférence des boulons 48 s'étendant à travers la pince et le flasque 47 du rail d'extrémité et des écrous 49 pour le fixer au châssis assemblé. On peut utiliser également des moyens de retenue ayant une autre forme. Par exemple, la plaque de base pourrait comporter un trou ménagé à proximité de l'une de ses extrémités de façon qu'un boulon amovible agissant en moyen de retenue s'engage dans le flasque 47 du rail d'extrémité 27. Cet engagement sera suffisant pour maintenir la plaque de base dans le chassis assemblé. D'autres variantes pour obtenir la même fonction de retenue sont possibles. Un mode de réalisation de la présente invention ayant la préférence utilise un ressort d'amortissement dans le chassis assemblé pour amoindrir les vibrations se produisant dans la plaque de base pendant le fonctionnement. En liaison - 11 - avec les figures 3 et 6, un canal de renforcement 36 comporte un ressort d'amortissement 50 constitué de deux pattes métalliques 51 s'étendant l'une vers l'autre à partir des côtés opposés du canal. Les pattes sont inclinées vers le c8té inférieur de la plaque de base de manière à être en contact avec elle. Les vibrations de la plaque de base sont transférées aux pattes qui ont tendance à les absorber. On peut accéder aux volets de la tuyère lorsqu'ils sont mis en place dans la section à tuyère d'échappement d'un moteur à turbine à gaz d'un avion. Plus particulièrement, on peut facilement enlever les moyens de retenue placés sur les volets des tuyères convergente et divergente. Cela permet à la plaque de base de coulisser dans les canaux des rails latéraux jusqu'à être totalement enlevée du châssis assem- blé. On peut installer aussi facilement une plaque de base de remplacement en la faisant coulisser le long des canaux jusqu'à être complètement en place. Le moyen de retenue est remis en position et fixé au châssis assemblé par les boulons et écrous. Les avantages qu'offre l'invention qu'on vient de décrire apparaîtront facilement. Les plaques de base montées dans les volets d'échappement sont soumises aux températures les plus élevées et ont tendance à être plus enclines aux endommagements que n'importe qu'elle autre partie du volet. Selon la présente invention, toute plaque de base endommagée peut être facilement remplacée sans avoir à démonter la totalité du volet. Au contraire, on Ète le moyen de retenue, enlève la plaque de base endommagée et la remplace par une nouvelle plaque. Il n'est pas nécessaire de désengager les diverses biellettes et fixations de montage des volets. Cela signifie qu'on réalise des économies importantes en matière de coûts d'entretien grâce à ce gain de temps. De plus, il faut remplacer une partie seulement du volet; d'o une économie importante en matière de coûts de remplacement des pièces. Les avantages précédents doivent être comparés au cas - 12 - des volets de tuyère en une pièce dans lesquels l'endommage- ment de la structure de la plaque de base entraîne le remplacement complet du volet. De plus, l'emploi d'une construction du volet en deux pièces selon la présente invention signifie qu'il existe des points de libération des contraintes qui se traduisent par une durée de vie plus longue en service pour chaque volet. L'emploi préféré d'une plaque de base en carbone-carbone revêtu ou en composite à matrice céramique permet une durée de vie encore plus grande du volet car ces matériaux présentent une résistance aux hautes températures supérieure à celle des alliages métalliques qu'on emploie normalement. De plus, l'utilisation de ce type de plaque de base présente un potentiel plus grand pour l'emploi de moteurs plus puissants. Le volet de tuyère divergente qu'on vient de décrire en liaison plus particulière avec les dessins représente un mode de réalisation ayant la préférence. Le technicien remarquera que des modifications et des changements de nature évidente peuvent être apportés et que l'invention s'applique à tout volet d'échappement dont les volets des tuyères convergente et divergente et les volets d'étanchéitéconver- gents et divergents. - 13 - REVENDICATIONS 1. Volet d'échappement (14) pour montage dans la section à tuyère d'échappement d'un moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un châssis assemblé allongé (21) comportant des moyens de montage pour fixation au moteur, le châssis assemblé étant caractérisé en ce qu'il comporte un châssis ouvert (24, 25, 26, 27) avec au moins un rail comprenant un canal de réception (29); (b) une plaque de base amovible (22) dimensionnée de manière à coulisser dans le canal de réception du châssis assemblé pour former une surface inférieure solide- pour le volet, la plaque de base ayant sensiblement la longueur et la largeur du châssis ouvert; et (c) un moyen de retenue (23) pour maintenir la plaque de base à l'intérieur du châssis assemblé, ie moyen de retenue étant amovible pour permettre le remplacement de la plaque de base alors que l'ensemble est monté dans le moteur à turbine à gaz. 2. Volet d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le châssis assemblé (21) est constitué d'un châssis ouvert généralement rectangulaire comportant deux rails latéraux (24, 25) qui comprennent un canal de réception (29), un rail antérieur (26) et un rail d'extrémité (27), avec une ossature s'etendant sensiblement sur la longueur du châssis ouvert et avec des nervures structurelles s'étendant latéralement entre l'ossature et le châssis ouvert à des fins de renforcement. 3. Volet d'échappement selon la revendication 2, dans lequel le châssis assemblé (21) est en outre caractérisé en ce qu'il comporte un canal de réception (30) dans le rail antérieur (26) du châssis ouvert, ce canal de réception étant interconnecté avec les canaux de réception (29) des rails latéraux (24, 25) de façon que la plaque de base (22) puisse coulisser dans le châssis ouvert et -être supportée dans les - 14 - canaux antérieur et latéraux. 4. Volet d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de retenue (23) comporte une pince en forme de U se montant sur un flasque (47) s'étendant à partir du rail d'extrémité (27) du châssis ovuert et recouvrant le bord arrière de la plaque de base, et comprend en outre un moyen de fixation par boulon (48) pour maintenir la pince sur le châssis assemblé. 5. Volet d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le châssis assemblé (21) comprend en outre un ressort d'amortissement (50) placé sur lui pour être en contact avec le côté inférieur de la plaque de base (22). 6. Volet d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque de base (22) est constituée d'un alliage métallique résistant aux hautes températures. 7. Volet d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque de base (22) est constituée d'un matériau carbone-carbone revêtu, résistant aux hautes températures. 8. Volet d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque de base (22) est constitué d'un composite à matrice céramique résistant aux hautes températures. 9. Volet d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque de base (22) comporte des bords latéraux (45) évidés (44) de façon que, lorsqu'elle coulisse dans les canaux de réception du châssis assemblé, le volet ait un surface inférieure sensiblement plate, avec les surfaces des rails et de la plaque de base au ras les unes des autres. 10. Volet d'échappement selon la revendication 9, caractérisé en outre en ce que la plaque de base présente un bord avant (46) évidé. 11. Volet d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est un volet d'une tuyère divergente. - 15 - 12. Volet d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est un volet d'une tuyère conver- gente. 13. Volet d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est un volet d'étanchéité divergent. 14. Volet d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est un volet d'étanchéité convergent.