Brevet FR2654776A1 — publié le 19910524

La présente invention concerne des dispositifs pour fournir une surface aérodynamique régulière à l'intérieur d'un courant gazeux et plus particulièrement un dispositif formant une surface aérodynamique régulière dans le trajet d'écoulement des gaz d'une conduite d'échappement d'un moteur à turbine à gaz En particulier, la présente invention concerne un dispositif pour protéger contre l'écoulement des gaz d'échappement une fixation entre deux éléments de la conduite d'échappement. Les moteurs à turbine à gaz comprennent généralement un générateur de gaz qui définit un trajet d'écoulement annulaire et comporte, en relation axiale d'écoulement, une section à compresseur afin de comprimer l'air circulant dans le trajet d'écoulement; une section à chambre de combustion dans laquelle l'air comprimé est mélangé à du carburant et allumé afin de produire un courant gazeux d'énergie élevée; et une section à turbine qui extrait de l'énergie du courant gazeux pour entraîner la section à compresseur Lorsqu'on utilise des moteurs de ce type sur des avions modernes, on sait dans la technique ajouter une seconde section à turbine, appelée turbine de puissance, afin d'extraire davantage d'énergie du courant gazeux et entraîner une soufflante ou une hélice On sait en outre dans la technique que l turbine de puissance peut comporter des rangées de plans aérodynami- ques tournant en alternance dans des directions opposées, -2- chaque rangée entraînant une multitude séparée d'ailettes de soufflante tournant dans des sens opposés, non canalisée, placées soit sur la partie antérieure soit sur la partie postérieure du moteur. Les turbines à gaz utilisant des ailettes de souf- flante non canalisée, tournant dans des directions opposées, peuvent comporter un noyau central d'échappement étendu, tournant, ayant une forme sensiblement conique Ce noyau présente une longueur importante et sa fabrication sous forme d'un même ensemble est structurellement souhaitable Cepen- dant, le noyau doit être fixé par sa base au moteur à partir de l'extérieur, et sa longueur rend la fixation difficile. Par conséquent, le noyau doit être fabriqué en sections de manière à pouvoir être fixé au moteur L'utilisation clas- sique de joints boulonnés entre les diverses sections du noyau nécessite l'emploi de trous d'accès dans sa structure de manière à atteindre les têtes de boulon et par conséquent a un effet sur le processus de fixation Comme le noyau est exposé au courant gazeux sortant de la partie arrière du moteur, ces trous d'accès sont une source de turbulences dans le courant d'échappement, ce qui provoque une augmentation du bruit et de la traînée, d'o l'abaissement du rendement du moteur. La présente invention a pour objet principal un dispositif perfectionné qui ne souffre pas des inconvénients venant d'être exposés. La présente invention a pour autre objet un noyau central d'échappement qui minimise les turbulences produites dans le courant de gaz d'échappement. La présente invention a encore pour objet un écran boulonné qui minimise la surface des trous d'accès, d'o la réduction des turbulences produites dans le courant des gaz d'échappement d'un moteur à turbine à gaz. On satisfait les objets précédents de la présente invention avec un dispositif capable de fournir une surface efficace sur le plan aérodynamique dans un courant de gaz d'échappement d'un moteur à turbine à gaz en recouvrant un joint de connexion entre deux éléments d'une multitude d'éléments qui forment ensemble le noyau central d'une conduite d'échappement Dans un mode de réalisation préféré, l'écran présente une configuration tronconique, creuse, et comporte un bord de base présentant un rebord pouvant être accouplé à une portion antérieure du noyau central de la conduite d'échappement et un bord de sommet présentant une multitude de trous pouvant recevoir des boulons de manière à attacher l'écran à la portion postérieure de la conduite d'échappement Le côté de l'écran recouvre le joint de connexion, ce qui permet de présenter une surface ininterrom- pue au courant des gaz. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, un moteur à turbine à gaz comportant des hélices contrarotatives, montées à l'arrière; figure 2, une vue partielle en coupe d'une conduite d'échappement et d'un noyau central d'échappement selon la présente invention; figure 3, un joint boulonné de la technique antérieure et d'un trou d'accès entre les éléments boulonnés; figure 4, la présente invention décrite en figure 2 avec davantage de détails; figure 5, l'invention représentée en figure 4 dans une vue en perspective. La figure 1 représente un moteur à turbine à gaz 10 d'un type dans lequel on peut appliquer la présente inven- tion Le moteur 10 est du type qu'on propose pour emploi sur les avions modernes propulsés par la poussée fournie par des multitudes séparées de soufflantes non canalisées, tournant dans des sens opposés, fixées à la partie arrière du moteur. Le moteur 10 comprend plusieurs sections principales dispo- sées sensiblement de façon symétrique autour de l'axe 34 du 4 - moteur, dont un générateur de gaz 15 et un propulseur 20. Comme cela est bien connu dans la technique et ne sera donc pas représenté ici, le générateur de gaz 15 définit un trajet d'écoulement annulaire des gaz et comporte en relation d'écoulement axial un compresseur, une chambre de combustion et une turbine Le propulseur 20 comprend une seconde turbine, ou turbine de puissance, qui entraîne des hélices avant et arrière 21 et 23, respectivement L'hélice avant 21 comprend une multitude d'ailettes individuelles 22; l'hélice arrière 23, une multitude d'ailettes individuelles 24. En figure 1 on a également décrit un noyau central d'échappement 26 qui est fixé au bâti du moteur 10 Le noyau 26 a sensiblement la forme d'un cône et a le même axe 35 que l'axe 34 du moteur Dans certains modes de réalisation du moteur 10, le noyau d'échappement du moteur 10 peut être fixé par sa base à un bâti tournant du moteur et donc tournera lui-même en conjonction avec la rotation de l'une de la paire de turbines contrarotatives qui constituent la turbine de puissance Dans la plupart de ces cas, le noyau sera fixé au bâti tournant qui supporte l'hélice arrière. Le noyau central 26 comporte une multitude de sec- tions Comme représenté en figure 2, le noyau 26 comprend trois sections, une section antérieure 28, une section médiane 30 et une section postérieure 32 qui sont fixées ensemble pour constituer une structure unitaire Ainsi, la section antérieure 28 est boulonnée à la section médiane 30 à un joint 31 et la section médiane 30 est à son tour boulonnée à la section postérieure 32 à un joint 33 Alors qu'on a décrit le noyau 26 comme constitué de trois sections qu'on boulonne ensemble, celui-ci peut comporter seulement deux sections ou plus de trois sections fixées ensemble suivant quelque manière connue dans la technique autre que celle consistant à utiliser des boulons Chaque section du noyau peut à son tour être constituée d'éléments individuels plus petits en forme de tronc de cône qui sont soudés ensemble -5- pour former une section unitaire. Comme représenté en figure 2, les gaz d'échappement sortent du moteur 10 en passant par une conduite annulaire d'échappement 38 après avoir traversé la turbine de puissan- ce La conduite d'échappement 38 est définie par le noyau central 26 et par une tuyère extérieure d'échappement 36 qui, comme le noyau 26, peut être fixée au bâti tournant du moteur dans certains modes de réalisation du moteur 10 Après avoir quitté la conduite d'échappement, les gaz continuent à s'écouler à l'arrière du moteur Toute irrégularité dans la surface du noyau 26 peut être la source de turbulences dans le courant d'échappement et être à l'origine des problèmes qu'on a mentionnés précédemment. En figure 3 on a représenté un exemple d'une telle irrégularité de la surface, dans le cas de la fixation de deux éléments du noyau central selon la technique antérieure. Ainsi, la figure 3 représente une section amont 40 du noyau central comportant un premier rebord radial 42 et une section 41 en aval comprenant un second rebord radial 43, les rebords étant fixés l'un à l'autre par la combinaison 44 d'un écrou et d'un boulon En figure 3 on a également représenté un trou d'accès 44 qui permet au monteur d'accéder à la tête de boulon 46 L'axe de la combinaison boulon-écrou est sensible- ment parallèle à l'axe 35 et, par conséquent, forme un angle aigu avec la surface des sections amont et aval Ainsi, même si une section prise à travers la tête de boulon 46 perpendiculairement à son axe est sensiblement circulaire, la projection de cette section sur la surface du second élément a une forme elliptique 47 comme représenté dans la projection de la figure 3 et, par conséquent, une aire plus grande de la rupture de la surface que celle donnée par un trou circulaire pratiqué dans la même surface Soit (a) le diamètre d'un outil utilisé sur la tête de boulon 46 pour fixer les deux éléments, l'aire de la forme elliptique et, par conséquent, les dimensions du trou d'accès 45 tel qu'il est vu par 6 - l'outil, sont alors données par la formule suivante Ae = ab, dans laquelle Ae = aire de l'ellipse a = longueur du petit axe; b = longueur du grand axe La valeur de b est à son tour donnée par la relation b = a/sin O dans laquelle 0 = angle entre le plan de la tangente à la surface du noyau central et un plan parallèle à la tête de boulons 46. Comme b>a, à moins que la figure soit un cercle, et étant donné que l'aire du trou circulaire nécessaire pour avoir accès à la tête de boulon 46 est égale àra 2, l'aire de la découpe elliptique sera toujours supérieure à la découpe circulaire et augmentera en dimensions avec la diminution de O, c'est-à-dire avec l'augmentation de la longueur du noyau 26 En outre, comme la surface de la section aval 41 du noyau est incurvée, l'aire de la surface du matériau enlevé pour former le trou d'accès 45 est quelque peu supérieure à celle représentée par la formule donnée pour déterminer Ae. En d'autres termes, de façon à pouvoir accéder à la tête de boulon 46 et fixer les deux éléments l'un à l'autre, un procédé et un dispositif de la technique antérieure pour leur fixation nécessiteront l'enlèvement dans le second élément d'un morceau elliptique de matériau Non seulement cela se traduit par une irrégularité de la surface, comme on l'a représenté ci-dessus, d'o le développement de perturba- tions dans le courant d'échappement, mais encore cela provoque l'affaiblissment de l'intégrité structurelle du second élément. Comme représenté en figures 4 et 5, on utilise un écran boulonné 50 selon la présente invention, qui ne souffre pas des inconvénients précédents, pour protéger la fixation -7- d'une paire de sections adjacentes du noyau central, telles que les sections 30 et 32, contre le courant des gaz L'écran boulonné 50 a la forme générale d'un tronc de cône, comme on le voit le mieux en figure 5, et comporte des bords 52 et 54 de base et de sommet, respectivement, et un côté 56 comprenant une feuille sensiblement continue qui s'étend entre eux Le côté 56 est défini en partie par des surfaces latérales intérieure et extérieure 58 et 59, respectivement. Le bord 52 de la base de l'écran 50 comprend un rebord '80 s'étendant à partir de la surface intérieure 58 en étant sensiblement parallèle à l'axe 35 Le bord 54 du sommet comporte une multitude de trous traversants 66 disposés circonférentiellement, dirigés radialement, chaque trou pou- vant recevoir un boulon 68 au profil bas Chaque boulon 68 s'engage dans un écrou prisonnier 69, d'o la fixation du bord du sommet de l'écran 50 à la section postérieure 32 du noyau central. Le bord 52 de la base de l'écran 50, comportant le rebord 80, a une forme permettant son accouplement avec le bord en aval, ou bord 48 du sommet de la section amont 30 du noyau Le bord 48 comporte un rebord circonférentiel 49. Ainsi, le rebord 80 forme un joint radial 60 à ajustement serré et un joint axial 62 à ajustement serré, d'o il résulte que l'écran 50 est maintenu en relation fixe sur la section amont 30 Le rebord 49 présente un chanfrein 70, empêchant la création de contraintes éventuellement domma- geables à cet emplacement. Avant de monter l'écran 50, on doit d'abord fixer la section aval 32 du noyau à sa section amont 30 au moyen de la combinaison boulon-écrou prisonnier 72 On glissera alors l'écran 50 sur l'ensemble du noyau 26 jusqu'à ce que le rebord 80 s'engage dans le rebord 49 de la section amont 30. On fixera alors individuellement des boulons 68 sur des écrous 69, d'o l'ancrage solide de l'écran 50 par rapport au noyau 26 Après une mise en place correcte, la surface 8 - extérieure 59 du côté 56 fournit une surface aérodynamique pratiquement ininterrompue qui recouvre le joint de connexion entre les sections amont et aval 30 et 32. Alors que des trous d'accès restent nécessaires pour monter les boulons 68, ceux-ci peuvent être plus petits et d'un nombre moins élevé car ils ne supportent aucune charge. Plus précisément, les boulons 68 fonctionnent simplement pour maintenir en place l'écran 50 par rapport aux sections 30 et 32 du noyau et ne sont soumis à aucune charge, alors que, par exemple, la combinaison boulonécrou prisonnier 72 sert à supporter la section 32 et doit donc être structurellement plus solide. De plus, le trou 66 est plus petit car il est dirigé d'une façon presque plus perpendiculaire à la surface 59 que le trou d'accès 45 dans l'élément 41 comme représenté en figure 3 Ainsi, si l'on suppose que le diamètre du trou nécessaire pour monter le boulon 68, comme représenté en figure 4, est égal au diamètre d'un outil permettant d'installer le boulon 46, comme représenté en figure 3, on peut utiliser un trou d'accès plus petit dans la première situation Comme on l'a noté précédemment, avec la diminution de l'angle les dimensions du trou d'accès augmentent. tent Ainsi, l'aire de la découpe nécessaire pour avoir accès au boulon 68 est plus petite que celle de la découpe concernant l'accès au boulon 46 de la figure 3 Il en résulte que la rupture dans le courant des gaz d'échappement provoquée par le trou d'accès 66 est inférieure à celle due au trou d'accès 45 La réduction de la rupture de l'écoule- ment gazeux conduit à la réduction des turbulences et par conséquent à la diminution de la traînée et des niveaux du bruit. Une autre caractéristique souhaitable de la présente invention est qu'elle fournit un volume de confinement 9 - annulaire 90 défini principalement par la surface intérieure 58 et la section aval 32 En cas de desserrage de la combinaison boulon-écrou prisonnier 72, celle-ci sera retenue à l'intérieur du volume 90. Alors qu'on a décrit la présente invention en liaison avec son emploi pour la couverture d'un joint de connexion entre des sections médiane et postérieure à un noyau central, on remarquera qu'elle convient également pour deux sections quelconques du noyau De plus, la présente invention, alors qu'elle a été décrite dans son application à la formation, en partie, de la limite intérieure du trajet d'écoulement d'un courant de gaz d'échappement, peut être également employée comme écran pour recouvrir un joint entre deux éléments constituant partiellement une limite extérieure du courant. La présente invention trouve aussi une application dans le cas o il est souhaitable de réduire les turbulences créées dans un courant de gaz par un joint de connexion entre deux éléments se trouvant à l'intérieur du courant. - REVENDICATIONS 1 Dispositif ( 50) pour réduire les ruptures aérody- namiques dues à un joint de connexion entre au moins un premier élément ( 30) et un second élément ( 32) se trouvant dans un courant gazeux, caractérisé en ce qu'il comprend un premier bord ( 52) pour fixation au premier élément, un second bord ( 54) pour fixation au second élément, et une surface continue ( 59) s'étendant entre les bords, la surface continue protégeant les joints contre le courant gazeux. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a une forme sensiblement tronconique, et en ce que la surface continue comprend la surface latérale du disposi- tif tronconique, cette surface latérale comportant des surfaces intérieure et extérieure. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier bord ( 52) comprend un rebord circonfé- rentiel ( 80) s'étendant à partir de la surface latérale intérieure en étant sensiblement parallèle à celle-ci et le premier élément présente une configuration permettant son accouplement avec le premier bord. 4 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second bord d'accouplement ( 54) comprend une multitude de trous ( 66) disposés circonférentiellement, dirigés radialement, pour recevoir des attaches ( 68) afin de fixer le second bord d'accouplement au second élément. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier élément et le second élément sont reliés l'un à l'autre par un moyen de fixation ( 72), et le dispositif et les éléments définissent ensemble un volume de confinement ( 90) pour contenir le moyen de fixation lorsqu'il est désserre. 6 Dispositif pour réduire les ruptures aérodynamiques dues à un joint entre une section amont ( 30) et une section aval ( 32) d'un noyau central d'échappement ( 26) d'un moteur à il - turbine à gaz, le noyau étant situé dans un écoulement des gaz d'échappement et présentant un axe ( 35) définissant une direction axiale et une direction radiale perpendiculaire à celle-ci, caractérisé en ce qu'il fournit une surface aérodynamique sensiblement continue ( 59), exempte de rupture aérodynamique et comprenant un premier bord ( 52) d'accouple- ment avec la section amont, un second bord ( 54) d'accouple- ment avec la section aval, et une surface latérale ( 58; 59) s'étendant entre les bords. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il a une configuration sensiblement tronconique, et en ce que la surface latérale du dispositif tronconique comporte une surface intérieure ( 58) et une surface extérieure ( 59). 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier bord ( 52) comprend un rebord ( 80) s'étendant à partir de la surface intérieure en étant sensiblement parallèle à celle-ci et la section amont a une configuration permettant son accouplement au premier bord d'accouplement. 9 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le second bord d'accouplement ( 54) comporte une multitude de trous ( 66) disposés circonférentiellement, dirigés radialement, afin de recevoir des attaches ( 68) pour la fixation du second bord d'accouplement au second élément. 10 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier élément et le second élément sont connectés l'un à l'autre par un moyen de fixation ( 72),et le dispositif et les éléments définissent ensemble un volume de confinement ( 90) pour contenir le moyen de fixation lorsqu'il est desserré. 11 Ecran ( 50) pour réduire les ruptures aérodynami- ques dues à un joint entre des premier ( 30) et second ( 32) éléments formant une limite pour le trajet d'un écoulement de gaz et pour fournir une surface aérodynamique ( 59) sensible- ment continue, pratiquement exempte de ruptures aérodynami- 12 - ques au-dessus du joint, chacun des éléments ayant une forme sensiblement tronconique définie en partie par un bord de base ( 52), un bord de sommet ( 54), et une surface latérale ( 56) s'étendant entre eux, le bord de sommet ( 54) du premier élément étant fixé au bord de base ( 52) du second élément, l'écran ayant une forme tronconique définie en partie par un bord de base sensiblement circulaire, un bord de sommet coaxial, sensiblement circulaire, et une surface latérale ( 58) s'étendant entre eux, caractérisé en ce que le bord de la base de l'écran est fixé au premier élement et le bord du sommet de l'écran l'est au second élément. 12 Ecran selon la revendication 11, caractérisé en ce que le trajet d'écoulement des gaz a une forme sensiblement annulaire, définie en partie par la limite. 13 Ecran selon la revendication 12, caractérisé en ce que le bord de sommet de l'écran comporte une multitude de trous ( 66) traversants, espacés circonférentiellement les uns des autres, dirigés radialement, pour recevoir des boulons ( 68) afin de fixer le bord de sommet de l'écran au second élément. 14 Ecran selon la revendication 12, caractérisé en ce que le bord de base de l'écran comprend un rebord ( 80) s'étendant à partir de la surface latérale ( 58) et le bord de sommet du premier élément a une forme permettant son accouplement au bord de base de l'écran. Ecran selon la revendication 14, caractérisé en ce que les premier et second éléments sont reliés l'un à l'autre par un moyen de fixation ( 72), et l'écran et les éléments définissent ensemble un volume de confinement ( 90) pour contenir le moyen de fixation. 16 Conduite d'échappement tournante ( 38) pour moteur à turbine à gaz, conduite comprenant un trajet d'écoulement des gaz d'échappement sensiblement annulaire qui est défini par l'emboîtement d'enveloppes intérieure et extérieure ayant chacune une forme sensiblement tronconique, l'enveloppe 13 - intérieure s'étendant au-delà de l'extrémité de l'enveloppe extérieure et comportant une multitude de sections circonfé- rentiellement fendues qui sont fixées les unes aux autres, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un écran ( 50) pour réduire les ruptures aérodynamiques dans le courant des gaz d'échappement dues à un joint entre une paire contiguë de sections. 17 Conduite d'échappement selon la revendication 16, caractérisée en ce que l'écran a une forme sensiblement tronconique et est défini par un bord de base ( 52) sensible- ment circulaire, un bord de sommet coaxial ( 54), sensiblement circulaire, une surface latérale continue ( 56) s'étendant entre eux. 18 Conduite d'échappement selon la revendication 17, caractérisée en ce que le bord de base ( 52) comprend un rebord ( 80) s'étendant à partir de lui en étant sensiblement parallèle à la surface latérale de l'écran pour fixation à une section amont ( 30) de l'enveloppe intérieure. 19 Conduite d'échappement selon la revendication 17, caractérisée en ce que le bord de sommet ( 54) comprend une multitude de trous traversants ( 66), espacés circonférentiel- lement les uns des autres, dirigés radialement, pour recevoir des attaches ( 68) afin de fixer le bord de sommet de l'écran à une section aval ( 32) de l'enveloppe intérieure. 20 Conduite d'échappement selon la revendication 19, caractérisée en ce que les deux sections de la paire contiguë sont connectées l'une à l'autre par un moyen de fixation ( 72), et l'écran et les sections définissent ensemble un volume de confinement ( 90) pour contenir le moyen de fixation lorsqu'il est desserré.