Brevet FR2665485A1 — publié le 19920207

Moteur à turbine à gaz. La présente invention a trait aux moteurs à turbine à gaz à cycle variable et en particulier aux moteurs à turbine à gaz munis d'orifices de sortie orientables pour donner à un avion muni d'un tel moteur une aptitude à effectuer un vol vertical ou des décollages et atterrissages courts (Adav, Adac). Des moteurs à cycle variable sont présentés de façon générale dans les brevets US 3 913 321 ou 4 038 818 (cédés à ROLLS ROYCE LIMITED) En général, ces moteurs comprennent un premier compresseur a écoulement axial et un moteur central comprenant, en série pour l'écoulement, une seconde instal- lation de combustion à compresseur, et des turbines pour en- traîner le premier et le second compresseurs Les moteurs sont capables de fonctionner dans deux modes distincts Ces modes sont en fait un mode "écoulement en série" et un mode "écoulement en parallèle" Dans le mode d'écoulement en série le premier et le second compresseur sont reliés en série pour l'écoulement et tout l'écoulement de sortie du premier compresseur suralimente le second compresseur Dans le mode "d'écoulement parallèle" on empêche l'écoulement de sortie du premier compresseur de suralimenter le second compresseur et on l'évacue à l'air ambiant soit par un conduit à dérivation soit par des tuyères d'échappement orientables ou fixes, et simultanément une prise d'air auxiliaire est ouverte de façon25 à autoriser d'entrée de l'air dans le second compresseur. Des moteurs à cycle variable du type décrit ci-dessus offrent de nombreux avantages, notamment pour un avion exigeant des possibilités de décollage et d'atterrissage vertical et aussi de vol avant supersonique Le rendement du moteur peut être optimisé en décollage et atterrissage vertical et vol subsonique pendant le mode d'écoulement en parallèle et optimisé en vol supersonique avant:pendant le mode d'écoulement en série Ainsi, pour le vol vertical, les avantages bien prouvés de moteurs tels que le moteur Pegasus35 de Rolls Royce Limited (utilisé pour entraîner le Marrier AV 8 A British Aerospace ou le AV 8 B British Aerospace/Mc Donnell Douglas peuvent être exploités tout en permettant un usage efficace du moteur dans le mode d'écoulement en série pour le vol supersonique. Pour permettre à l'écoulement de sortie du premier compresseur d'être redirigé selectivement pour les modes de fonctionnement en série ou en parallèle, il est habituel de prévoir une valve de déviation en aval du premier compresseur mais en amont du second compresseur. Des exemples de telles valves de déviation sont dé- crits dans les brevets mentionnés ci-avant Les problèmes liés à de telles valves de déviation résident dans leur complexité, poids, coût et effet disruptif sur le cycle thermodynamique du moteur pendant la période de transition du mode d'écoulement en série au mode d'écoulement en parallèle. En général, la disruption a s'écouler est due a la lente vitesse d'actionnement des volets et portes de la valve de déviation et au fait que beaucoup de parties mobiles telles que les portes et volets sont positionnées dans le chemin d'écoulement de l'air et doivent être actionnées en même temps. Un but de la présente invention est de fournir un moteur à cycle variable du type décrit ci-avant avec des moyens à valve de déviation qui soient simples à actionner, de faible poids, relativement bon marché et fournissant un chemin d'écoulement relativement dégagé pendant les deux modes de fonctionnement. L'invention telle qu'elle est revendiquée, fournit un chemin d'écoulement sensiblement non réduit du premier compresseur aux tuyères ou à l'entrée du second compresseur et utilise les tuyères orientables comme valvesde déviation. Ceci élimine la prévision de valves de déviation supplé- mentaires lourdes et coûteuses. Les figures 1 et 2 sont respectivement une vue en plan en coupe partielle et une vue en élévation de côté d'un moteur construit selon la présente invention, montrant le moteur dans une configuration. Figures 3 et 4 sont des vues du moteur des Figures 1 et 2 dans une seconde configuration. Figure 5 est une vue schématique d'un mécanisme connu pour faire varier les angles d'un nombre de rangées d'aubes de stator de l'un des compresseurs du moteur des Figures 1 à 4. Figure 6 est une vue schématique du mécanisme pour faire varier la section de sortie des tuyères avant du moteur des Figures 1 à 4. Figure 7 est une vue d'une entrée d'air modifiée pour le moteur de Figure 1, permettant à l'avion de voler en vol avant sans suralimentation du moteur central. En se référant d'abord de façon générale aux figures 1 à 4, un moteur à turbine à gaz( 12) pour entraîner un avion de façon à lui donner une aptitude à un décollage et atteris- sage court ou vertical, comprend un premier compresseur ( 4), un second compresseur ( 6),une cham Un de combustion ( 8) et une turbine ( 10) pour entraîner les compresseurs L'écoulement d'air provenant de l'atmosphère entre dans le premier com- presseur ( 4) et s'échappe par deux tuyères orientables ( 12,14) L'écoulement d'air pénètre dans le second compresseur ( 6) par deux entrées ( 16,18) disposées (ainsi qu'il le sera décrit avec plus de détails ci-après) adjacentes aux tuyères orientables ( 12,14) et s'échappe via la chambre de combustion ( 8) et la turbine ( 10) par deux tuyères orientables ( 20,22). En se référant maintenant particulièrement aux figures 1 et 2, lorsqu'il est demandé au moteur de produire une poussée verticale sur l'avion, c'est-à-dire une poussée normale à l'axe du moteur, les tuyères ( 12,14) et ( 20,22) sont dirigées vers le bas comme montré Dans cette configuration, l'écoulement d'air pénètrant dans le premier compresseur provient de l'atmosphère à l'avant du moteur et l'écoulement sortant du premier compresseur s'échappe vers l'atmosphère pour produire une poussée verticale via les tuyères ( 12,14). L'écoulement d'air pénètrant dans le second compresseur ( 6) provient de l'atmosphère via les entrées ( 16,18) et 11 échap- pement du second compresseur est évacué vers l'atmosphère via la chambre de combustion ( 8) et la turbine ( 10) pour produire une poussée verticale via les tuyères( 20,22) De cette façon, les compresseurs ( 4) et ( 6) travaillent en parallèle, produisant une grande masse d'écoulement à basse vitesse, appropriée pour le décollage. En se référant maintenant particulièrement aux figures 3 et 4, lorsque le moteur doit fournir une poussée avant sur l'avion, c'est-à-dire une poussée parallèle à l'axe du moteur, les tuyères ( 12,14) sont orientées vers l'arrière comme montré Les entrées ( 16,18) sont disposées par rapport aux tuyères ( 12,14) de façon que, dans cette configuration, chacune des tuyères ( 12,14) coïncide avec une entrée d'air respective ( 16,18) Dans cette configuration l'admission au premier compresseur ( 4) provient de l'atmosphère à l'avant du moteur et l'écoulement provenant du premier compresseur s'échappe via les tuyères ( 12,14) dans les entrées ( 16,18) pour former l'admission du second compresseur L'écoulement, provenant du second compresseur ( 6) s'échappe par la chambre ( 8) et la turbine ( 10) pour produire une poussée avant via les tuyères ( 20,22) De cette façon, les compresseurs ( 4) et ( 6) travaillent en série, produisant un écoulement massique plus petit à haute vitesse que lorsqu'ils travaillent en parallèle, comme dans les figures 1 et 2, rendant cette configuration appropriée pour un vol horizontal à vitesse élevée. En vue de permettre un bon transfert de l'écoulement des tuyères ( 12,14)aux entrées ( 16,18) lorsque les compres- seurs travaillent en série, un joint d'étanchéité résilient ( 24,26) est prévu au bord de chaque entrée Les joints ( 24,26) peuvent être gonflés et sont gonflés, comme montré dans les figures 2 et 4, pour assurer l'étanchéité entre chaque entrée et sa tuyère respective lorsque la tuyère est en coïncidence avec l'entrée. Il est nécessaire de réduire la section de sortie des tuyères ( 12,14), lorsqu'elles sont déplacées en dehors de leur position dans laquelle elles coïncident avec les en- trées ( 16,18), afin d'augmenter la chute de pression a travers elles et d'optimiser leur fonction dans cette con- figuration Chaque tuyère ( 12,14) est munie d'un jeu d'ailettes de guidage de sortie variable ( 28,30) (cf Fig 6) La mise en place des ailettes de guidage de sortie ( 28,30) est con- trôlée par une came ( 32 a), un chemin de came ( 32 b),un levier coudé ( 33), des leviers ( 35) et des tiges poussoirs ( 34) Les ailettes ( 28, 30) de guidage de sortie de la tuyère réduisent la section de sortie, de la tuyère dès que les tuyères sortent de leur position dans laquelle elles sont en coïncidence avec les entrées ( 16,18) Pendant la période de transition de la position vers l'arrière vers la position vers le bas, les ailettes ( 28,30) peuvent être déviées pour rabattre l'écoule- ment s'échappant de la tuyère vers l'arrière afin de donner à l'écoulement unecomposante arrière substantielle. Il sera apprécié que, l'espace formé entre le premier compresseur ( 4) et le second compresseur puisse être utilisé pour placer des éléments auxiliaires du moteur encombrants tels qu'un réservoir d'huile ( 36). Il sera apprécié que le moteur central, c'est-à-dire le compresseur ( 6), la chambre de combustion ( 8) et les turbines ( 10) soient conçus de façon à fonctionner avec des conditions d'écoulement largement différentes. Dans un mode de fonctionnement (le mode "d'écoulement en série") l'entrée d'air au compresseur ( 6) est suralimentée par le compresseur ( 4) Dans le mode "d'écoulement en parallèle" l'air n'est pas suralimenté Afin de maximiser la poussée il est nécessaire de fournir un compresseur de taux de compression plus élevé, et d'éviter le blocage du compresseur. En se référant à la figure 5, le compresseur ( 6) peut être muni d'aubes de stator variables ( 38), chacune d'entre elles étant montée pivotante à son extrémité extérieure sur un ergot ( 40) Des leviers ( 42) sont prévus pour raccorder chaque ergot ( 40) à une bague de liaison ( 40) Il est prévu une bague de liaison pour chaque rangée d'aubes de stator Une poutre ( 46) est prévue et est montée sur un double pivot ( 48) du type décrit dans le brevet anglais NO 1 511 723 La poutre ( 46) comprend des tringles ( 50) montées sur des joints universels ( 52) et les tringles ( 50) sont reliées aux bagues de liaison ( 44) par des joints universels ( 54) Un moteur ( 56), qui actionne une vis d'entraînement ( 56 a) laquelle se visse dans un écrou ( 58) fixé sur l'extrémité, qui serait autrement libre, de la poutre ( 46) est prévu pour déplacer la poutre ( 46) autour des axes ( 60,64) et par conséquent faire tourner les bagues de liaison ( 44) Les aubes ( 38) sont reliées aux bagues de liaison par des leviers ( 66) et des joints universels ( 68) Une rotation des bagues ( 44) provoque simultanément la -rotation de toites les-aubes de stator ( 38) dans chaque rangée. ce mécanisme est décrit de façon complète dans le brevet anglais NI 1 511 723. En supplément ou en alternative, les turbines peuvent être munies d'aubes de guidage ( 70) à position variable afin de contrôler l'écoulement à travers les turbines. En supplément ou en alternative, l'écoulement à travers le moteur central peut être contrôlé au moyen de tuyères à section variable De nombreux moyens bien connus sont possibles pour faire varier la section des tuyères L'un d'eux peut employer un arrangement asymétrique de pétales (non représenté) ou une tuyère à deux dimensions utilisant une ou plusieurs plaques déplaçables ( 72) qui peuvent être déplacées pour modifier la section de la tuyère au moyen d'un moteur ( 73) qui entraîne un vérin à vis au moyen d'arbres d'entraînement flexibles ( 76) et d'une boîte de vitesse ( 77). En supplément ou en alternative, les aubes de guidage ( 74) d'entrée du compresseur ( 4) peuvent être à géométrie variable. Les entrées ( 16) peuvent être repositionnées, comme montré à la figure 7, de façon que les tuyères ( 12,14) soient= tournées jusqu'à une position légèrement vers le haut lorsqu'elles doivent coïncider avec les entrées ( 16,18). Une allure de croisière subsonique peut être obtenue, sans suralimenter le moteur central, en faisant tourner les tuyères ( 12,14) vers une position dans laquelle elles évacuent vers l'arrière Si nécessaire, les ailettes de guidage de sortie dans les tuyères ( 12,14) peuvent être déviées pour rabattre l'écoulement vers l'arrière afin d'augmenter la poussée avant Dans toutes les positions des tuyères ( 12,14) vers le haut jusqu'à ce qu'elles viennent coïncider avec les entrées ( 16,18), les sections de sortie sont réduites. Dans encore une autre forme de réalisation (non représentée) les entrées d'air ( 16) peuvent être conçues de façon à autoriser un mode de fonctionnement "by pass" ou à déviation dans lequel, lorsque les tuyères ( 12,14) sont dirigées vers l'arrière (mais en ne correspondant pas totale- ment avec les entrées ( 16)), une partie de l'écoulement des tuyères ( 12,14) est évacuÉedans le moteur central et une partie est évacuée vers l'arrière mais pas à travers le moteur central Dans ce cas, un volet obturateur (non re-15 présenté) serait prévu au bord de chaque entrée Le volet obturateur fonctionnerait de façon à fermer chaque entrée d'air ( 16) à une section égale à la section de chaque partie de chaque tuyère ( 12,14) communicuant directement avec l'in- térieur de l'entrée d'air. REVENDICATIONS 1. Moteur à turbine à gaz comprenant un premier compresseur ( 4); un second compresseur ( 6); une chambre de combustion ( 8); des moyens à turbine ( 10) pour entraîner 5 le premier et le second compresseur; des premiers moyens d'entrée pour faire pénétrer un écoulement dans le premier compresseur ( 4); des premiers moyens de sortie ( 12,14) pour évacuer l'écoulement provenant du premier compresseur ( 4) des seconds moyens d'entrée ( 16,18) pour faire pénétrer un écoulement dans le second compresseur ( 6 >, et des seconds moyens de sortie ( 20,22) pour évacuer l'écoulement provenant du second compresseur ( 8) via la chambre de combustion ( 8) et les moyens à turbine ( 10), caractérisé en ce que les premiers moyens de sortie ( 12,14) peuvent être orientés entre15 une première position dans laquelle l'écoulement provenant du premier compresseur s'évacue à l'air ambiant et une seconde position dans laquelle les premiers moyens de sortie ( 12,14) coïncident avec les seconds moyens d'entrée ( 16,18) et l'écoulement provenant du premier compresseur ( 4) s'écoule20 dans le second compresseur ( 6). 2. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens d'étanchéité résilients ( 24,26) sont prévus pour réaliser l'étanchéité entre les premiers moyens de sortie ( 12,14) et les seconds moyens d'entrée ( 16,18) lorsque les premiers moyens de sortie ( 12,14) sont dans la seconde position. 3. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'étanchéité résilients ( 24,26) sont gonflables. 4 Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, dans lequel l'écoulement optimum du fluide de travail à travers le moteur est celui pour lequel les premiers moyens de sortie ( 12,14) sont dans la seconde position et les premier et second compresseurs ( 4,6) tournent chacun à une35 vitesse prédéterminée, caractérisé en ce que des moyens de contrôle de l'écoulement sont prévus pour contrôler l'écoule- ment du fluide de travail à travers le premier compresseur( 4), le second compresseur ( 6) et les moyens à turbine ( 10) pour empêcher le blocage du premier ( 4) et du second ( 6) compresseurs pendant le fonctionnement à ces vitesses prédéterminées ou en dessous. 5 G Moteur à turbine à gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de contrôle comprennent des aubes de stator ( 38), dont l'angle d'attaque est variable de façon à modifier l'écoulement à travers le moteur. 6. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de contrôle comprennent des moyens pour faire varier la section de sortie des premiers moyens de sortie ( 12,14) de façon à produire une section de sortie plus petite lorsque les premiers moyens de sortie ( 12,14) sont dans n'importe quelle position autre que la seconde position. 7. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de contrôle comprennent des moyens pour faire varier la section de sortie des seconds moyens de sortie ( 20,22). 8 Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers moyens de sortie ( 12,14) peuvent être déplacés dans une troisième position, inter- médiaire entre la première et la seconde position, dans laquelle les premiers moyens de sortie ( 12,14) évacuent partiellement dans les seconds moyens d'entrée d'air ( 16,18) et également vers l'arrière le long des seconds moyens d'entrée d'air ( 16,18), et en ce que des moyens d'obturation sont prévus pour limiter la section des seconds moyens d'entrée d'air ( 16,18) à une section égale à cette partie des premiers moyens de sortie ( 12,14) qui évacue dans les seconds moyens d'entrée. 9. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ceqie les premiers moyens de sortie ( 12,14) peuvent être déplacés dans une troisième position inter- médiaire entre les premières et seconcs positions, les premiers moyens de sortie ( 12,14) évacuant vers l'arrière le long des seconds moyens d'entrée d'air ( 16,18) mais n'évacuant pas dans les seconds moyens d'entrée d'air. 10. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers moyens de sortie ( 12,14) sont munis d'une pluralité d'ailettes de déviation de l'écoule- ment s'étendant en travers du chemin d'écoulement par les premiers moyens de sortie ( 12,14), et en ce que les ailettes sont déplaçables de façon à dévier un écoulement de gaz pro- venant; des premiers moyens de sortie ( 12,14), vers l'arrière pendant la période de passage des premiers moyens de sortie10 ( 12,14) de leur seconde position à leur première position.