Brevet FR2669680A1 — publié le 19920529

1. La présente invention concerne des moteurs à turbine à gaz. Un objet de la présente invention est un moteur à dou- ble flux à turbine à gaz de cycle variable pour un avion dans lequel le rapport entre la quantité d'air contournant la ou les chambres de combustion primaires du moteur et la quantité d'air traversant la ou les chambres de combustion, qu'on appel- le généralement rapport de dilution, peut être rendu maximum aux faibles vitesses de l'avion et optimisé de façon maîtrisée pour les vols subsoniques, transoniques et supersoniques. La présente invention peut être des plus avantageuse- ment appliquée aux moteurs à turbine à gaz à poussée vectorisée pour un avion conçu pour un décollage court et un atterrissage vertical. Dans une proposition connue d'avion de ce type, qu'on décrit brièvement dans la revue Aviation and Space Technology, 21 avril 1986, pages 54 et 55, un réacteur à soufflante I 2. canalisée en tandem comporte une extension de conduite anté- rieure de transfert allant jusqu'au moteur à double flux com- prenant une soufflante antérieure entraînée par un arbre étendu commandant la soufflante classique à double flux Dans un vol à portance par les ailes, les deux soufflantes fonctionnent pour fournir les courants d'air secondaire: et d'admission au compresseur en suivant une autre manière classique Dans le vol à portance par réaction, c'est- à-dire pendant la partie du vol de l'avion dans laquelle la poussée est fournie entière- ment-ou partiellement par moteur à réaction, un système d'ad- mission d'air auxiliaire situé entre les deux soufflantes s'ou- vre, et une soupape d'arrêt montée dans le courant d'air en arrière de la soufflante antérieure mais à l'avant de l'admis- sion d'air auxiliaire se ferme L'air provenant de la soufflan- te antérieure est alors dirigé vers le bas par la soupape d'arrêt, par l'intermédiaire d'une chambre de combustion, jusqu'à une tuyère située au-dessous de la conduite de trans- fert Le reste du moteur est alors alimenté en air provenant de l'admission auxiliaire - Dans une variante de la proposition de l'art anté- rieur, également mentionnée dans le même article, une concep- tion hybride de soufflantes comprend un agencement de soufflan- tes en tandem dans lequel la soupape d'arrêt est remplacée par une soupape de dérivation du type rotatif La tuyère antérieu- re unique est remplacée par une paire de tuyères non-augmentées de vectorisation de la poussée. Les deux propositions antérieures qu'on vient de décri- re donnent naissance à des problèmes de réalisation pratique. L'arbre étendu supportant la soufflante supplémentaire doit être-capable de supporter des charges considérables et les va- riations de charge provoquées par la transition entre vol avec portance par les ailes et vol à portance par réaction. Par conséquent, il doit avoir une épaisseur importante et être lourd, d'ou une pénalisation en matière de poids pour l'avion sur lequel il est monté En outre, le moteur allongé 3. augmente la trainée-et nécessite une plus grande poussée pour obtenir les vitesses désirées Comme une seule turbine entraîne deux soufflantes montées sur le même arbre, aucune compensa- tion indépendante pour la différence des débits d'air des deux soufflantes pendant le vol à réaction n'apparaît possible. Un objet de la présente invention est de surmonter les inconvénients de ces propositions de l'art antérieur. La présente invention a également-pour objet un mo- teur d'avion à poussée vectorisée à cycle variable fonctionnant à de faibles pressions dynamiques des jets et à de faibles températures des jets lors du vol à portance par réaction Une caractéristique de la présente invention est qu'on atteint les objets précédents-en utilisant des composants classiques d'un moteur à turbine à gaz dans un agencement nouveau. Selon un aspect de la présente invention, un moteur à double flux à turbine à gaz à cycle variable comprend une première soufflante située à l'admission du moteur de manière à fournir de l'air à un compresseur et à une conduite d'air secondaire entourant L'enveloppe du compresseur, le compres- seur étant monté de manière à être entraîné par une turbine dans la section turbine du moteur, une seconde soufflante montée dans la conduite d'air secondaire de façon à être entraînée par une turbine, une admission d'air auxiliaire à surface contrôlable et des moyens de blocage de la conduite d'air secondaire situés entre les première et seconde soufflantes, et un moyen de com- mande pour mettre en oeuvre par sélection les moyens de bloca- ge de la conduite d'air secondaire et l'admission d'air auxiliai- re de manière à faire varier pendant la marche le rapport de dilution du moteur afin d'obtenir les performances optimum dans les conditions de fonctionnement prévalant. Selon un autre aspect de la présente invention, un mo- teur à double flux à turbine, à gaz à poussée pouvant être vecto- risée à cycle variable comprend une première soufflante montée à l'admission du moteur de manière à fournir de l'air à un compresseur et à une conduite d'air secondaire entourant 4. l'enveloppe du compresseur et installée de façon à être en- traînée par une turbine dans la section turbine du moteur, une seconde soufflante montée dans la conduite d'air secondaire de manière à être entraînée par une turbine, des premiers moyens de blocage de la conduite d'air secondaire situés dans la conduite d'air secondaire entre les première et seconde souf- flantes, au moins une tuyère pouvant être vectorisée, rotati- ve, et des seconds moyens de blocage associés situés entre les première et seconde soufflantes pour -dévier par sélection l'air comprimé provenant de la première soufflante vers une direction désirée, une admission d'air auxiliaire vers la con- duite d'air secondaire entre les première et seconde soufflan- tes, et un moyen de commande pour actionner par sélection les moyens de blocage et cette tuyère pouvant être vectorisée afin de choisir une configuration du moteur convenant: soit à un vol aérodynamique avec portance par les ailes dans lequel la seconde soufflante agit en étage de compression supplémentai- re pour l'air de la conduite d'air secondaire qui a été soumis à une compression initiale par la première soufflante, et les courants d'air secondaire et d'échappement de la turbine pas- sent par au moins une tuyère de sortie; soit à un vol à portan- ce par réaction dans lequel la conduite d'air secondaire est bloquée en amont de la seconde soufflante et l'air comprimé par la première soufflante est dirigé, via une tuyère pouvant être vectorisée, dans une direction désirée et les courants d'air secondaire et d'échappement de la turbine sont dirigés via une autre tuyère pouvant être vectorisée, rotative, ou via une forme de vectorisation de la tuyère de sortie. Les soufflantes peuvent être à un étage ou à plu- sieurs étages, et le compresseur peut être un compresseur hau- te pression à un étage ou à plusieurs étages. Dans un mode de réalisation de l'invention, les moyens de blocage de la conduite d'air secondaire sont disposés de manière à fermer d'admission d'air auxiliaire dans la configura- tion aérodynamique du moteur pendant le vol à portance par les ailes, et pour bloquer la conduite d'air secondaire et ouvrir l'admission d'air auxiliaire dans la configuration du moteur en vol à portance par réaction. Dans un autre mode de réalisation de l'invention des première et seconde turbines indépendantes sont disposées de manière à entraîner les première et seconde soufflantes, res- pectivement La turbine d'entrainement de la seconde soufflan- te est de préférence une turbine libre. Dans un autre;mode de réalisation de l'invention, un bouchon ou limiteur de débit, pouvant se déplacer en transla- tion, est monté dans la bouche de sortie de l'échappement de la section turbine du moteur et les moyens de commande sont disposés de manière à déplacer le bouchon pour augmenter la surface de la bouche de sortie de l'échappement lorsque le mo- teur se trouve dans la configuration en-vol à portance par réaction et réduire la surface de la bouche de sortie de l'échappement lorsque le moteur se trouve dans la configura- tion en vol à portance par les ailes. On décrira maintenant deux modes de réalisation de la présente invention, à titre d'exemple seulement, dans le cas d'un avion à décollage court et atterrissage vertical en liaison avec les dessins d'accompagnement dans lesquels: La figure 1 est une vue schématique en partie en coupe d'une version " 3 jets" d'un moteur à poussée vectorisée à cycle variable selon un premier mode de réalisation de 1 'invention; La figure 2 est une vue partiellement en coupe du moteur de la figure 1 dans le cas d'un vol à portance par les ailes; La figure 3 est une vue partiellement en coupe du moteur de la figure 1 dans le cas de la configuration en vol à portance par réaction; La figure 4 est-une vue partiellement en coupe d'une version " 4 jets" d'un moteur à poussée vectorisée à cycle variable selon un second mode de réalisation de l'invention; 6. La figure 5 est une vue partiellement en coupe du moteur de la figure 4 dans une configuration en-vol à portan- ce par les ailes; et La figure 6 est une vue partiellement en coupe du moteur de la figure 4 dans la configuration en vol à portan- ce par réaction. Dans la description qui suit, les composants du mo- teur qui sont pratiquement identiques dans chacune des figu- res ont les mêmes numéros de référence. Dans le présent mémoire, l'expression "moteur 3 jets" concerne un moteur à poussée pouvant être vectorisée ayant trois jets émergents sur lesquels l'avion est supporté dans un vol à portance par réaction et d'une façon correspondante l'ex- pression "moteur 4 jets" indique un moteur ayant quatre jets émergents sur lesquels l'avion est supporté pendant un vol à portance par réaction. La figure 1 représente un moteur à poussée pouvant être vectorisée à cycle variable comprenant essentiellement un moteur à double flux classique comportant une soufflante multi-étages 1 à son admission et- montée de manière R être entraînée par une turbine indépendante 10, un compresseur haute pression 2 monté de manière à être entraîné par une tur- bine indépendante 11, une ou plusieurs chambres de combus- tion primaires 15, une chambre de post-combustion 7, deux tu- yères tournantes en cascade 9 pouvant être vectorisées et une tuyère 8 à surface variable pouvant être vectorisée sur une conduite d'échappement 14 Le moteur comprend en outre une seconde soufflante 5 entraînée par une turbine libre 12 et si- tuée dans la conduite 13 d'air secondaire, des volets 3 de blocage de la conduite d'air secondaire, une admission 4 d'air auxiliaire et un bouchon ou limiteur 6 à mouvement de transla- tion situé dans la sortie de la section turbine du moteur. En marche, dans un vol classique à portance par les ailes, un moyen de commande (non représenté) donne au moteur la configuration illustrée en figure 2 L'admission 7. d'air auxiliaire 4 est fermée par les volets 3 et le bouchon -pouvant être animé d'un mouvement de translation 6 est placé dans une-position antérieure définissant une sortie relative- ment étroite à partir de la section turbine du moteur La tuyère finale 8 pouvant être vectorisée est en alignement avec l'axe avant- arrière du moteur de sorte qu'une poussée axiale est produite par le moteur Dans cette configuration, la secon- de soufflante 5 fournit un étage de compression supplémentai- re pour le courant d'air secondaire dans la conduite 13, qui lo a été antérieurement comprimé par la soufflante 1 Les cou- rants d'air secondaire et d'échappement de la turbine vont à la tuyère finale 8 via la chambre de post-combustion 7 selon la manière classique. La figure 3 représente la configuration obtenue par le moyen de commande (non représenté) dans le cas d'un vol à portance par réaction Dans cette configuration, la conduite 13 d'air secondaire est bloquée en amont de la seconde soufflan- te 5 par les volets 3 qui servent également à ouvrir l'admis- sion 4 d'air auxiliaire afin d'admettre de l'air auxiliaire dans la seconde soufflante 5 Les volets 3 a des tuyères anté- rieures 9 pouvant être vectorisées du type en cascade, tour- nantes, sont ouverts dans cette configuration et l'air comprimé par la soufflante antérieure 1 s'échappe par l'intermédiaire des cascades dans la direction de la flèche, fournissant deux des "jets" de l'agencement à 3 jets L'air ambiant est admis dans la seconde soufflante 5 via une admission 4 d'air auxi- liaire dans la conduite d'air secondaire 13 et la surface de la tuyère en aval de la section turbine du moteur est augmen- tée en déplaçant le bouchon 6 vers l'arrière Comme la contre- pression agissant sur la turbine 12 est réduite, son taux d'ex- tension et par conséquent la puissance de sortie augmentent De plus, le débit du carburant entrant dans la ou les chambres de combustion 15 peut être également augmenté, ce qui confè- re une nouvelle augmentation globale pour la puissance de sortie. 8. Les échappements de la soufflante postérieure 5 et de la turbine 12 sortent par la tuyère finale 8 qui a une configuration verticale sous l'effet du moyen de commande de manière à fournir le troisième jet de l'agencement à 3 jets. Un mode de réalisation à 4 jets d'un moteur selon la présente invention est illustré en figure 4 Les figures 5 et 6 illustrent la version du moteur de la figure -4, respecti- vement, dans la configuration d'un vol à portance par les ailes et d'un vol à portance par réaction Dans ce mode de réalisa- tion, une paire supplémentaire de tuyères 9 a pouvant être vecto- risées du type cascade, tournantes,sont montées en aval de la seconde soufflante 5 Dans le vol à portance par réac- tion, ces tuyères ne sont pas couvertes par des volets (non représentés) qui arrêtent le débit vers la conduite d'échappe- ment 14. De nombreuses modifications et variantes des modes de réalisation illustrés en figures 1 à 3 et 4 à 6, respecti- vement, apparaîtront maintenant aux techniciens Par exemple, des tuyères pouvant être vectorisées du type à coude pourraient être utilisées à la place des tuyères 9 du type en cascade, tour nantes. La seconde soufflante 5 pourrait être branchée sur la turbine 10 ou la turbine 11 du générateur de gaz de base au lieu d'être une turbine indépendante 12. Le bouchon 6 pourrait être supprimé La chambre de post-combustion 7 est également facultative. La seconde soufflante 5 pourrait être précédée dans la conduite d'air secondaire 13 d'aubes de guidage d'entrée à incidence variable et/ou les pales de la soufflante 5 elle-même pourraient être des pales à pas variable, une telle inciden- ce variable et/ou de telles pales à pas variable étant con- trôlées par le moyen de commande de manière à faire varier la charge supportée par la seconde soufflante 5. Les tuyères 9 pouvant être vectorisées pourraient être équipées de brûleurs pour chambre et/ou un système 9. d'augmentation de la poussée pourrait être incorporé dans la -conduite d'air secondaire en arrière de la seconde soufflan- te 7 de-manière à renforcer la poussée pendant le vol à por- tance par réaction. Un agencement de réchauffage pourrait être prévu dans lequel une ou plusieurs chambres supplémentaires de combustion pourraient être placées entre les turbines 10, 11 entraînant le compresseur 2 du générateur de gaz de base et la première soufflante 1 et la turbine 12 De cette façon, on pourrait obtenir une souplesse supplémentaire de la commande de la se- conde soufflante 5. On remarquera que bien que les modes de réalisation de l'invention laient-été décrits ci-dessus pour un avion à décollage court et atterrissage vertical, on peut envisager de nombreux modes de réalisation de l'invention,qui- convien- draient pour un avion à réaction classique n'étant pas à décollage et atterrissage verticaux ou à décollage court et atterrissage vertical Dans de tels modes de réalisation, la présence de tuyères pouvant être vectorisées ne sera évidemment pas nécessaire mais la possibilité de faire varier le rapport de dilution du moteur au moyen de la seconde soufflante pos- térieure et de ses volets de blocage et admission d'air auxi- liaire associés serait maintenue pour obtenir le rendement op- timum du moteur dans les diverses parties de l'enveloppe tota- le d'un vol, par exemple le décollage, les vols transoniques, supersoniques et l'atterrissage que l'avion peut avoir à ef- fectuer. 10. REVENDI CATIONS 1 Moteur à double-flux à turbine à gaz à cycle variable comportant une admission et une sortie, une premiè- re soufflante placée à l'admission du moteur et permettant de fournir de l'air à un compresseur et à une conduite d'air se- condaire entourant l'enveloppe du compresseur, le compresseur étant monté de manière à être entraîné par une turbine dans la section turbine du moteur, une seconde-soufflante située dans la conduite d'air secondaire et installée de-manière à être en- traînée par une turbine, la conduite d'air secondaire compor- tant une admission d 'air auxiliaire à surface contrôlable, caractérisé en ce qu'un moyen ( 3) de blocage de la conduite d'air secondaire est situé entre les première et seconde souf- flantes ( 1, 5); et en outre en ce que des moyens de commande sont prévus pour faire fonctionner par sélection le moyen ( 3) de blocage de la conduite d'air secondaire et l'admission ( 4) d'air auxiliaire de façon à faire varier le rapport de dilu- tion du moteur pendant la marche. 2 Moteur selon la revendication l, caractérisé en ce qu'un moyen de tuyère pouvant être vectorisé ( 9) et un moyen de blocage (second) associés ( 3 a) sont disposés entre la première soufflante ( 1) et la seconde soufflante ( 5) afin de dévier par sélection l'air comprimé à partir de la première soufflante ( 1) pour lui donner une direction désirée. 3 Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que des moyens supplémentaires de tuyère pouvant être vectorisés ( 9 a) sont montés de manière à recevoir les gaz s'échappant de la section turbine ( 10, 11), les moyens de com- mande permettant pendant la marche de contrôler le mouvement de vectorisation, des gaz d'échappement et leur débit vers les moyens supplémentaires de-tuyère ( 9 a). 4 Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que sa sortie comporte une tuyère de conduite d'échappement ( 8) pouvant être vectori- sée. 11. Moteur selon la revendication 2, caractérisé -en ce que les moyens de commande peuvent être effectifs par sélection pour configurer le moteur pour un vol aérodynamique à portance par les ailes et un vol à portance par réaction; dans lequel, pour un vol aérodynamique à portan- ce par les ailes,, le moyen ( 3) de-blocage de la conduite d'air secondaire et le second moyen de blocage-, 13 a) sont inopérants de manière à laisser non obstruée la conduite d'air secondai- re ( 13) afin de permettre à la seconde soufflante ( 5) d'agir en étage supplémentaire de compression pour l'air comprimé par la première soufflante ( 1) et aux courants d'air secondai- re et d'échappement de la turbine d'être acheminés jusqu'à la sortie; et dans lequel, pour un vol à portance par réaction, le moyen ( 3, 3 a) de blocage de la conduite d'air secondaire et ledit au moins moyen ( 9) de tuyère pouvant être vectorisé sont mis en oeuvre pour bloquer la conduite d'air secondaire ( 13) de manière à diriger directement l'air comprimé par la premiè- re soufflante ( 1), via ledit moyen de tuyère ( 9), dans la direction désirée et à diriger l'échappement de la turbine et l'échappement d'air secondaire vers la sortie. 6 Moteur selon la revendication 3 ou la revendica- tion 4, caractérisé en ce que les moyens de commande sont ef- fectifs par sélection pour configurer le moteur pour un vol aérodynamique à portance par les ailes et un vol à portance par réaction; dans lequel, pour le vol aérodynamique à portan- ce par les ailes-, le moyen ( 3) de blocage de la conduite d'air secondaire et le second moyen de blocage ( 3 a) sont inopérants de manière à laisser la conduited'air secondai- re ( 13) non obstruée et permettre à la seconde soufflante ( 5) d'agir en étage de compression supplémentaire pour l'air com- primé par la première soufflante ( 1) et aux courants d'air se- condaire et d'échappement de la turbine d'être acheminés jusqu'à la sortie; et 12. dans lequel, pour le vol à portance par réaction, le moyen ( 3, 3 a) de blocage de la conduite d'air secondaire, le- dit au moins moyen ( 9) de tuyère pouvant être vectorisée et le moyen supplémentaire de tuyère pouvant être vectorisée ( 9 a), et en option également la tuyère d'échappement pouvant être vectorisée ( 8), sont mis en oeuvre par les moyens de commande pour bloquer la conduite d'air secondaire ( 13) afin de diriger l'air comprimé par la première soufflante ( 1), via le moyen de tuyère ( 9) cité en premier,pour diriger l'échappement de la turbine via le moyen supplémentaire de tuyère pouvant être vec- torisée ( 9 a), et pour diriger vers la sortie l'échappement de la turbine et l'air secondaire, en option via la tuyère d'échap- pement pouvant être vectorisée ( 8). 7 Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la turbine ( 12) pour l'en- traînement de la seconde soufflante ( 5) est une turbine libre montée de manière à être entraînée par les gaz d'échappement de la section turbine ( 10, 11). 8 Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que la turbine ( 12) pour l'en- traînement de la seconde soufflante ( 5) est la turbine ( 10) servant à l'entraînement du compresseur ( 2). 9 Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que la turbine ( 12) pour l'en- traînement de la seconde soufflante ( 5) est la turbine ( 11) servant à l'entraînement de la première soufflante ( 1). Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'un limiteur ( 6) de la section du débit, pouvant se déplacer axialement, est dispo- sé en aval de la turbine ( 12) pour l'entraînement de la seconde soufflante ( 5). 11 Moteur selon la revendication 9, lorsqu'elle dépend de la revendication 5 ou de la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de commande peuvent dépla- cer le limiteur ( 6) dans une direction permettant d'augmenter 13. la section du débit de sortie de la section turbine pour la configuration du moteur en vol à portance par réaction et pour la réduire pour la configuration du moteur à portance par les ailes. 12 Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que des aubes de guida- ge d'entrée à incidence variable sont disposées dans la condui- te d'air secondaire ( 13) en amont de la seconde soufflante ( 5). 13 Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les pales de la secon- de soufflante ( 5) sont des pales à pas variable.