Brevet FR2669679A1 — publié le 19920529

i TUYERE D'EJECTION DE GAZ POUR MOLEUR A REACTION ET MOTEUR A REACTION EQUIPE D'UNE TELLE TUYERE, EN PARTICULIER MOTEUR DU TYPE A FLUX SEPARES L'invention concerne une tuyère d'éjection à section de sortie variable pour moteur à réaction Elle vise tout particulièrement une tuyère centrale d'éjection de gaz chauds destinée à équiper un moteur à réaction à flux séparés dont la tuyère périphérique d'éjection des gaz froids est dotée d'un dispositif d'inversion de poussée L'invention s'étend aux moteurs à réaction équipés d'une telle tuyère. On sait que, pour raccourcir la distance d'arrêt d'un avion à réaction ou accroître la sécurité de freinage sur piste humide ou glacée, les réacteurs de l'avion sont actuellement équipés d'un dispositif d'inversion de poussée qui inverse le jet et produit une contre-poussée de freinage. Dans le cas d'un réacteur à flux séparés, ce dispositif d'inversion de poussée est installé sur la tuyère périphérique d'éjection des gaz froids, car il s'est avéré impraticable de maintenir un tel dispositif en service dans la tuyère centrale d'éjection des gaz chauds en raison de la haute température du flux qui traverse celle-ci Dans ces conditions, l'inversion de poussée n'affecte que le flux froid et la contre-poussée globale obtenue (différence entre la contre-poussée développée par le flux froid et la poussée directe développée par le flux chaud) demeure faible, généralement de l'ordre de 15 à 20 % de la poussée totale en30 jet direct. Par ailleurs, par temps chaud, la vitesse du générateur de gaz chauds est limitée par la température maximum admissible des gaz et le moteur doit être utilisé à régime réduit afin d'éviter des surtempératures; la poussée35 s'en trouve notablement diminuée, ce qui représente un inconvénient majeur en phase de décollage. Le brevet US 3 829 020 décrit une tuyère de réacteur à flux mélangés, qui comporte, dans le prolongement de la paroi fixe de tuyère, une chemise mobile susceptible de40 reculer en regard du corps central pour accroître la section de sortie; lors de l'atterrissage, le déplacement de cette chemise arme les inverseurs de poussée Un tel dispositif qui comporte des organes mécaniques immergés dans le flux, est admissible pour une tuyère à flux mélangés o les températures sont relativement modérées, mais ne l'est pas pour une tuyère centrale de réacteur à flux séparés en raison, comme déjà évoqué, des hautes températures régnant au coeur du flux chaud De plus, le dispositif décrit dans ce brevet introduit des discontinuités dans la paroi interne de tuyère, qui sont préjudiciables au rendement en régime de jet direct et entraînent des risques de fuite de gaz En outre, un tel dispositif n'est pas applicable en l'absence d'un corps central de réacteur se prolongeant au- delà de la sortie de tuyère. En outre, dans les brevets US 4 807 434 et FR 2 349 738 sont décrits des systèmes d'inversion de poussée disposés sur la tuyère périphérique d'éjection des gaz froids d'un réacteur à flux séparés Ces systèmes comprennent une partie translatable axialement, qui est associée aux inverseurs de poussée ou joue le rôle d'inverseur de poussée en position aval Toutefois, pour les raisons déjà évoquées, ces systèmes ne-sont pas transposables sur une tuyère centrale d'éjection du flux chaud d'un réacteur à flux séparés.25 La présente invention se propose de remédier aux insuffisances des dispositifs connus et de fournir une nouvelle tuyère d'éjection, destinée à équiper un moteur à réaction et permettant de faire varier la section de sortie des gaz L'invention vise en particulier à permettre d'augmenter la section de sortie d'une tuyère centrale à gaz chauds, en écartant toutes les difficultés connues provenant des risques de fuites ou des températures élevées qui règnent au coeur de ces gaz. Un objectif de l'invention est ainsi, dans un moteur à réaction à flux séparés, d'assurer une réduction de la poussée du jet chaud lorsque les inverseurs de poussée sont mis en oeuvre sur le jet froid, afin d'atteindre une contre- poussée globale beaucoup plus élevée que dans les réacteurs à flux séparés connus. Un autre objectif de l'invention est de / permettre d'obtenir en jet direct une poussée accrue dans certaines conditions de vol, en particulier par temps chaud en phase de décollage. Un autre objectif est de permettre une augmentation de la section de sortie aussi bien pour les moteurs à réaction munis d'un corps central qui se prolonge au niveau de la tuyère et émerge de celle-ci que pour les réacteurs dépourvus d'un tel corps central émergeant. A cet effet, la tuyère d'éjection visée par l'invention, du type comportant une paroi fixe dont la chemise interne présente une forme convergente vers la sortie de tuyère, se caractérise en ce qu'elle comprend: une jupe annulaire mobile axialement, disposée autour de la chemise interne et composée d'une portion amont cylindrique guidée par la paroi fixe de tuyère et d'une portion aval de forme convergente vers la sortie de tuyère, l'extrémité de ladite portion aval ayant un diamètre supérieur à celui de la section de sortie de la chemise interne, des moyens de déplacement axial de la jupe mobile, disposés autour et à l'extérieur de la chemise interne et adaptés pour permettre de mouvoir ladite jupe dans une translation axiale entre une position amont o la jupe est25 entièrement située en retrait autour de la chemise interne et une position aval o l'extrémité aval de la jupe est située à l'arrière de la section de sortie de la chemise interne. Ainsi, dans la position amont, la jupe mobile et ses moyens de déplacement, situés entièrement en retrait autour de la chemise interne de la tuyère, respectent totalement la forme interne de celle-ci et sa continuité; aucune perturbation n'est introduite dans le flux, cependant qu'aucun organe mécanique ne se trouve plongé dans celui-ci de sorte que l'invention s'applique sans difficulté particulière35 aux tuyères à flux chauds et en particulier aux tuyères centrales des réacteurs à flux séparés Le recul de la jupe l'amenant à faire saillie à l'arrière et autour de la chemise interne fixe engendre une augmentation de la section de sortie des gaz et permet d'adapter celle-ci à la phase de vol40 envisagée, soit, comme on le verra plus loin, phase 1; d'inversion de poussée o l'augmentation de section entraîne une réduction de poussée du jet direct à régime moteur donné, soit phase de décollage, notamment par temps chaud, o l'augmentation de section entraîne une diminution de la température des gaz chauds permettant d'accroître la vitesse du générateur de gaz chauds (jusqu'à revenir à une température proche de la température maximum admissible), ce qui assure une augmentation momentanée de la poussée. L'invention est applicable aux tuyères dépourvues de corps central interne: l'augmentation de la section de sortie est alors due au diamètre plus important de l'extrémité aval de la jupe mobile par rapport à la sortie de la chemise fixe; dans ce cas, le diamètre de l'extrémité aval de la jupe est prévu notablement plus grand que celui de la sortie de chemise afin d'assurer l'augmentation de section désirée. L'invention est également et avantageusement applicable aux tuyères qui contiennent un corps central possédant une partie convergente située en regard de la sortie de chemise fixe; le recul de la jupe mobile engendre alors une augmentation de la section de sortie qui est due au moins en partie au rétrécissement du corps central Dans ce cas, le diamètre de l'extrémité aval de la jupe mobile peut être25 proche de celui de la sortie de chemise fixe. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, la tuyère comprend également une couronne semi- flexible de jonction entre la jupe mobile et la chemise interne fixe, ladite couronne semi-flexible étant liée à la30 jupe de façon à se déplacer avec celle-ci et venant en appui élastique autour de la chemise interne de façon à demeurer au contact de la face externe de celle-ci au cours de son déplacement. Cette couronne semi- flexible qui peut en particulier être composée d'une pluralité de secteurs fixés à l'extrémité aval de la jupe mobile, assure la continuité de la face interne de tuyère lorsque la chemise mobile vient en position aval Cette disposition est tout particulièrement intéressante lorsque l'augmentation de section vise à obtenir40 un accroissement de poussée en jet direct (phase de décollage par temps chaud), car elle évite des pertes dues à une perturbation du flux entre la sortie de chemise interne et l'extrémité aval de la jupe mobile. Dans le cas o l'augmentation de section vise au contraire à obtenir une réduction de la poussée des gaz chauds (phase d'inversion de poussée sur le jet froid), des perturbations introduites dans le flux chaud contribuent à réduire la poussée développée par celui-ci Selon une autre caractéristique de l'invention, la chemise interne de la tuyère peut alors comprendre des lumières d'échappement et des moyens d'obturation desdites lumières; ces moyens sont agencés pour démasquer les lumières lorsque la jupe mobile parvient dans une position aval prédéterminée correspondant à la position d'inversion de poussée. Ainsi, selon un mode de réalisation permettant d'optimiser les différents régimes de fonctionnement, d'une part, la jupe mobile est dotée de la couronne semi-flexible précitée qui assure la jonction et la continuité entre jupe mobile et chemise fixe, d'autre part, ladite jupe et ses moyens de déplacement sont adaptés pour permettre d'assigner à la jupe trois positions:. une position amont, dite de croisière, o la jupe est située entièrement en retrait autour de la chemise interne, une position aval intermédiaire, dite de jet direct, o la jupe dépasse à l'arrière de la chemise interne et réalise une augmentation de la section de sortie comprise entre 5 % et 15 %, les lumières d'échappement30 demeurant entièrement obturées par les moyens d'obturation, * une position aval extrême, dite d'inversion, o la jupe est située en arrière par rapport à la position précédente et réalise une augmentation de la section de sortie comprise entre 8 % et 20 %, les lumières35 d'échappement étant alors entièrement démasquées. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit en référence aux dessins annexés, lesquels en présentent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation et une40 variante; sur ces dessins: la figure 1 est une coupe schématique partielle par deux plans longitudinaux PP' d'une tuyère conforme à l'invention du type à corps central conique long, la figure 2 en est une coupe transversale par un plan T, la figure 3 est une vue en perspective schématique avec arraché partiel de ladite tuyère, la figure 4 est une perspective de détail montrant un des mécanismes d'entraînement à vis sans fin, les figures 5 a, 5 b et 5 c sont des coupes de détail montrant ledit mécanisme d'entraînement, respectivement en position amont de croisière, en position aval intermédiaire, dite de jet direct, et en position aval extrême, dite d'inversion, les figures 6 a, 6 b et 6 c sont des coupes de détail montrant un des clapets d'obturation, respectivement dans les trois positions précitées, les figures la, 7 b et 7 c sont des coupes partielles montrant l'extrémité de la tuyère respectivement dans les trois positions précitées, enfin les figures ba, 8 b et 8 c schématisent en coupe longitudinale partielle une variante de tuyère, respectivement dans les trois positions sus-évoquées. 25 La tuyère représentée à titre d'exemple aux figures 1 à 7 est une tuyère centrale de réacteur à flux séparés, qui est destinée à l'éjection des gaz chauds à l'arrière du réacteur De façon classique, le réacteur est équipé d'un corps central 1 qui émerge de la tuyère centrale par une portion conique convergente la et d'une tuyère périphérique d'éjection des gaz froids (non visible) dotée d'un système d'inversion de poussée permettant d'inverser le jet afin de produire une contre-poussée de freinage. L'invention vise essentiellement, d'une part, à réduire la poussée des gaz chauds éjectés par la tuyère centrale en phase d'inversion de poussée, d'autre part, à permettre une augmentation de la poussée totale des gaz chauds et froids en phase de décollage par temps chaud. De façon classique, la tuyère centrale est délimitée à sa périphérie par une paroi fixe annulaire qui est 7, constituée d'une chemise interne 2 et d'une chemise externe 3 formant avec ladite chemise interne un caisson annulaire dans la partie amont de tuyère La chemise interne 2 se prolonge par une portion arrière 2 a de forme convergente vers la sortie de tuyère. Autour de la chemise interne 2, la tuyère est équipée d'une jupe annulaire 4 composée d'une portion amont cylindrique 4 a et d'une portion aval 4 b de forme conique convergente vers la sortie de tuyère A sa portion amont cylindrique, cette jupe de section transversale circulaire est guidée par la paroi fixe de tuyère grâce à des systèmes de guidage répartis autour de la tuyère, de façon à être mobile en translation parallèlement à l'axe longitudinal de tuyère. Chaque système de guidage comprend en l'exemple des galets tels que 5 situés autour de la chemise interne et solidaires de celles-ci et un rail 6 solidaire de la jupe 4; en outre, un patin 7 solidaire de la jupe 4 est guidé par une portion de paroi cylindrique 3 a qui est20 assujettie à la chemise externe 3. L'extrémité de la portion aval 4 b de la jupe présente un diamètre légèrement supérieur à celui de la section de sortie de la chemise interne Une couronne semi- flexible 8, composée d'une pluralité de secteurs tels que 8 a,25 est fixée à l'extrémité de la jupe en vue de réaliser une jonction entre celle-ci et la chemise interne 2. Par l'élasticité du matériau qui la constitue et sa structure divisée en secteurs, cette couronne est apte à venir en appui élastique autour de la chemise interne 2 et à30 demeurer au contact de la face externe de celle-ci au cours du déplacement de la jupe; en l'exemple, ladite couronne présente une portion amont incurvée 8 a, suivie d'une portion conique divergente 8 b. La jupe mobile 4 et sa couronne semi- flexible 8 peuvent ainsi adopter les positions schématisées aux figures Ta, 7 b et 7 c: une position amont dans laquelle l'extrémité arrière de la jupe 4 est située en retrait autour de la chemise interne 2 au voisinage de sa section de sortie,40 la couronne semi-flexible 8 étant comprimée entre la jupe et la chemise interne (figure la), une position aval intermédiaire, dans laquelle la portion incurvée 8 a de la couronne vient sensiblement en correspondance avec la section de sortie de la chemise interne (figure 7 b), une position aval extrême, correspondant au recul maximum de la jupe 4 et de la couronne semi-flexible 8. Le déplacement de la jupe 4 est assuré par un flexible tournant 9 qui est disposé autour de la chemise interne 2 dans le caisson que celle-ci délimite avec la chemise externe 3 Ce flexible est entraîné en rotation par un groupe moto-réducteur 10 qui est situé à la partie haute de la tuyère et peut par exemple être fixé sur le longeron inférieur L du mât de réacteur. Plusieurs mécanismes à vis sans fin tels que M sont répartis le long du flexible tournant 9 afin d'assurer l'entraînement de la jupe 4. Chaque mécanisme est identique à celui qui est représenté en détail aux figures 5 a, 5 b, 5 c Chaque mécanisme comprend un carter 11 assujetti dans le caisson et contenant les organes mécaniques classiques en prise avec le flexible 10, une vis sans fin 12 et un boulon mobile de sortie 13 solidaire de la jupe 4 de façon à entraîner celle-ci en translation axiale sous l'effet de la rotation des vis sans fin 12 provenant de celle du flexible 9. Par ailleurs, à des positions angulaires décalées par rapport à celles des mécanismes d'entraînement M, des lumières d'échappement telles que 14 sont ménagées dans la30 chemise interne 2 Des moyens d'obturation sont associés à ces lumières afin d'obturer celles-ci et de les démasquer lorsque la jupe mobile 4 parvient dans la position aval extrême. Ces moyens d'obturation sont représentés en détail aux figures 6 a, 6 b et 6 c respectivement dans la position amont de croisière, la position aval intermédiaire (position de jet direct) et dans la position aval extrême (position d'inversion de poussée). A chaque lumière 14, est associé un clapet étanche pivotant 15 qui est porté par un axe 16 et est sollicité vers sa position de fermeture par des moyens élastiques tels que ressort 17 Une came 18 formant chemin de roulement pour un galet 19 solidaire du clapet assure l'ouverture du clapet lors du recul de la jupe 4 lorsque celle-ci parvient dans la position aval extrême En outre, des ouvertures 20 ménagées à l'arrière de la jupe se trouvent alors découvertes afin de créer une fuite de gaz vers l'extérieur. En phase normale de vol (position croisière correspondant aux figures 5 a, 6 a et 7 a), la jupe 8 est entièrement en retrait autour de la chemise interne 2 La face interne de celle-ci est continue et aucun organe n'est plongé dans le flux chaud La tuyère se comporte comme une tuyère classique, avec une section utile de sortie donnée (différence entre la section de la chemise interne et la section du corps central). Par temps chaud, en phase de décollage, le pilote peut commander le recul de la jupe pour la disposer en position intermédiaire aval (figures 6 b, 7 b, 8 b) Dans cette position, la tuyère est prolongée et sa section de sortie est accrue du fait, d'une part, du diamètre supérieur de l'extrémité arrière de la jupe 8, d'autre part, du rétrécissement du corps central En pratique, une augmentation de section comprise entre 5 et 15 %, en particulier de l'ordre de 10 g, entraîne une diminution de la température des gaz chauds à régime donné; cette température étant le facteur limitant au cours de cette phase de vol, le pilote peut ainsi augmenter le régime du moteur pour rétablir la température et obtenir un accroissement de la poussée totale de l'ordre de30 5 % Il est à noter que, dans cette position, la face interne de la tuyère demeure continue jusqu'à la section de sortie. En phase d'inversion de poussée, la commande par le pilote des inverseurs de poussée de la tuyère périphérique détermine le recul de la jupe 4 jusqu'à sa35 position extrême aval Il est à noter que ce recul est asservi à ces inverseurs de poussée de façon à être interdit en jet direct L'augmentation de sortie, en particulier comprise entre 8 et 20 %, et notamment de l'ordre de 12 %, engendre à régime moteur constant (débit constant) une réduction de la40 température des gaz chauds et de leur vitesse de sortie, et par voie de conséquence, une diminution de la poussée directe. En outre, les lumières 14 et ouvertures 20 sont alors démasquées et cette perturbation de l'écoulement réduit encore la poussée du flux chaud. Il est ainsi possible de limiter considérablement l'influence de la poussée des gaz chauds en phase d'inversion, de façon à obtenir une contre-poussée très améliorée par rapport à celle des réacteurs connus. Les figures 8 a, 8 b, 8 c présentent une variante de tuyère, respectivement en position amont (croisière), en position intermédiaire aval (jet direct) et en position extrême aval (inversion de poussée). Cette variante est destinée à équiper un réacteur à corps central court (non émergeant) Les divers organes de la tuyère sont similaires à ceux décrits précédemment, mais dans ce cas, la jupe mobile 4 ' est conformée de façon à présenter un diamètre d'extrémité très supérieur au diamètre de la section de la chemise interne; cette jupe et ses moyens de déplacement sont agencés pour permettre dans la position amont un retrait plus important autour de la chemise interne, comme le schématise la figure 8 a. L'augmentation de la section de sortie est dans ce cas uniquement due au diamètre accru de l'extrémité de jupe aussi bien dans la position intermédiaire aval (figure 8 b) que dans la position extrême aval (figure 8 c). Elle peut être de l'ordre de 5 à 15 %. 1 1 REVENDICATIONS 1/ Tuyère d'éjection, à section de sortie variable, pour moteur à réaction, du type comprenant une paroi fixe présentant une chemise interne ( 2) de forme convergente vers la sortie de tuyère, caractérisée en ce qu'elle comprend: une jupe annulaire ( 4) mobile axialement, disposée autour de la chemise interne ( 2) et composée d'une portion amont cylindrique ( 4 a) guidée par la paroi fixe de tuyère et d'une portion aval ( 4 b) de forme convergente vers la sortie de tuyère, l'extrémité de ladite portion aval ayant un diamètre supérieur à celui de la section de sortie de la chemise interne, des moyens de guidage et de déplacement axial de la jupe mobile ( 5-7, 9-12), disposés autour et à l'extérieur de la chemise interne ( 2) et adaptés pour permettre de mouvoir ladite jupe dans une translation axiale entre une position amont o la jupe est entièrement située en retrait autour de la chemise interne et une position aval o l'extrémité aval de la jupe est située à l'arrière de la section de sortie de la chemise interne. 2/ Tuy ère d'éj ec tion S elon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une couronne semi-flexible ( 8) de jonction entre la jupe mobile ( 4) et la chemise interne fixe ( 2), ladite couronne semi-flexible étant liée à la jupe de façon à se déplacer avec celle- ci et venant en appui élastique autour de la chemise interne de façon à demeurer au contact de la face externe de30 celle-ci au cours de son déplacement. 3/ Tuy ère d'éjection selon la revendication 2, caractérisée en ce que la couronne semi- flexible ( 8) est composée d'une pluralité de secteurs ( 8 a) fixés à l'extrémité aval de la jupe mobile ( 4) tout autour de35 cette dernière. 4/ Tuyère d'éjection selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, dans laquelle la paroi fixe comprend la chemise interne ( 2) précitée et une chemise externe ( 3) formant avec ladite chemise interne un caisson annulaire dans40 la partie amont de tuyère, caractérisée en ce que la jupe mobile ( 4) est guidée par des systèmes de guidage ( 5-7) répartis autour de la chemise interne et logés dans le caisson annulaire précité, les moyens de déplacement axial étant eux- mêmes logés dans ledit caisson annulaire. / Tuy è r e d'é jection selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de déplacement axial comprennent un flexible tournant ( 9) disposé autour de la chemise interne ( 2) dans le caisson précité, un groupe moto- réducteur ( 10) d'entraînement en rotation dudit flexible, et plusieurs mécanismes à vis sans fin ( 12) répartis le long du flexible tournant, chaque mécanisme ayant un carter ( 11) assujetti dans le caisson et une sortie mobile ( 13) solidaire de la jupe ( 4) de façon à entraîner celle- ci en translation axiale sous l'effet de la rotation du flexible. 6/ Tuyère centrale d'éjection de gaz chauds conforme à l'une des revendications 1 à 5, équipant un réacteur à flux séparés en vue de permettre d'augmenter à la commande la section de sortie des gaz chauds. 7/ Tuyère selon la revendication 6, caractérisée en ce que la chemise interne ( 2) comprend des lumières d'échappement ( 14) et des moyens d'obturation desdites lumières ( 15-19) agencés pour démasquer celles-ci lorsque la jupe mobile ( 4) parvient dans une position aval prédéterminée. 8/ Tuyère d'éj ection selon la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens d'obturation comprennent des clapets étanches pivotants ( 15), des moyens élastiques ( 17) maintenant chaque clapet appliqué30 sur une lumière d'échappement ( 14) et un système de cames ( 18, 19) associé à la jupe mobile et adapté pour assurer l'ouverture des clapets lorsque ladite jupe parvient dans la position aval précitée. 9/ Tuyère d'éjection selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que la jupe mobile ( 4) comprend dans sa portion arrière des ouvertures ( 20) agencées pour être découvertes lorsque ladite jupe parvient dans la position aval précitée en vue de créer une fuite de gaz vers l'extérieur.40 10/ Tuyère d'éjection selon la revendication 9, caractérisée en ce que la jupe mobile ( 4) et les moyens de guidage et déplacement axial sont adaptés pour permettre d'assigner à ladite jupe mobile trois positions: une position amont, dite de croisière, o la jupe ( 4) est située en retrait autour de la chemise interne ( 2), une position aval intermédiaire, dite de jet direct, o la jupe dépasse à l'arrière de la chemise interne et réalise une augmentation de la section de sortie comprise entre 5 % et 15 %, les lumières d'échappement ( 14) demeurant entièrement obturées par les moyens d'obturation, cependant que les ouvertures ( 20) de la jupe demeurent couvertes, une position aval extrême, dite d'inversion, o la jupe est située en arrière par rapport à la position précédente et réalise une augmentation de la section de sortie comprise entre 8 % et 20 %, les lumières d'échappement ( 14) étant entièrement démasquées, et les ouvertures ( 20) découvertes. 11/ Tuyère d'éjection selon la revendication 10, équipant un réacteur doté d'un corps central ( 1) se prolongeant selon l'axe de ladite tuyère, la section de sortie de la tuyère étant située en regard de la25 portion convergente (la) de ce corps central de sorte que le recul de la jupe mobile ( 4) engendre une augmentation de la section de sortie, due au moins en partie au rétrécissement du corps central. 12/ Moteur à réaction à flux séparés, comprenant une tuyère périphérique d'éjection des gaz froids, associée à un système d'inversion de poussée, et une tuyère centrale d'éjection des gaz chauds conforme à l'une des revendications 6 à 11.