Brevet FR2664657A1 — publié le 19920117

L'invention concerne des perfectionnements aux moteurs à turbine à gaz et plus particulièrement aux moteurs à turbine à gaz comportant des tuyères pivotantes aptes à être utilisées sur des avions à décollage court ou vertical. Des moteurs à turbine à gaz à double flux comportant des tuyères pivotantes sont bien connus dans la technique des turbomoteurs et comprennent? d'une manière générale, un ventilateur avant entraîné par un générateur de gaz et deus paires de tuyères, une première paire de tuyères disposée de chaque coté du moteur et alimentée en air relativement froid provenant du ventilateur, et une seconde paire de tuyères à 1 arrière du moteur alimentée avec des gaz relativement chauds provenant de la turbine du générateur de gaz. En faisant pivoter chacune des tuyères autour d'un axe, le flus du moteur à turbine à gaz peut être dirigé vers l'arrière, vers le bas, ou vers l'avant à volonté. Afin de permettre à un avion de décoller verticalement avec une charge utile élevée, son moteur à turbine à gaz doit avoir un rapport poussée/poids très élevé. La poussée du moteur peut être facilement augmentéé en orûlant du combustible dans l'écoulement d'air relativement froid provenant des turbines pivotantes avant. Si,pour un décollage vertical, la poussée des tuyères pivotantes avant est augmentée par rapport à celle des tuyères pivotantes arriere la ligne de poussée Le long de laquelle agit la résultante de poussée du moteur est déplacée vers l'avant par rapport au cas où la poussée des tuyères avant n'est pas augmentée. La position de la ligne de poussée du moteur dépend des grandeurs relatives des poussées des tuyères pivotantes avant et ,,, arrière et de la position de leur ligne de poussée respective. La position de la ligne de poussée du moteur est importante car des déplacenents de cette ligne peuvent provoquer des problèmes sérieux dans la stabilité de l'avion. Le problème est aggravé lors d'un décollage vertical, étant donné que les surfaces de contrôle aérodynamiques conventionnelles sont inefficaces à contrôler l'attitude de l'avion pour des vitesses vers l'avant nulles ou faibles. La présente invention vise à surmonter ou au moins à réduire les problèmes de stabilité ci-dessus en évitant ou en réduisant le déplacement de la ligne de poussée du moteur lors dtune augmentation sélective d'un des flux propulsifs du moteur. Le moteur selon la présente invention, prévu pour la propulsion à réaction d'un avion à décollage court ou vertical, comprend un turbomoteur apte à produire deux flux propulsifs, au moins une tuyère respective apte à faire varier la direction d'échappement de chacun des flux propulsifs, des moyens pour brûler sélectivement du combustible dans un des flux propulsifs de façon à augmenter la poussée fournie par ce flux propulsif, des moyens étant prévus pour faire varier au moins durant l'échappement vers le bas des deux flux propulsifs, la position de la ligne de poussée duditflux propulsif, lors de l'augmentation de ce flux afin d'éviter des changements sensibles dans la position de la ligne de poussée du moteur. Il est ainsi prévu que, étant donné qu'une tuyère d'éjection de surface de sortie variable est nécessaire pour éjecter efficacement un flux propulsif augmenté, la tuyère puisse être adaptée de sorte que la ligne de poussée a des positions différentes pour le flux augmenté et pour le flux non augmenté. Dans une forme de réalisation de l'invention, le moteur est muni d'une paire de tuyères en forme de tuyau coudé, disposée de part et d'autre de la ligne médiane longitudinale du moteur pou éjecter le flux propulsif froid, et chaque tuyère se termine en une tuyère de surface variable à pétales de convergence variable, ayant des pétales plus longs d'un côté que de l'autre de façon que, dans la position la plus convergente, la tuyère à pétales défléchisse le flux éjecté non augmenté de l'axe d'écoulement de la tuyère pivotante. On comprendra que la tuyère variable à pétales mentionnée ci-nessus, dans ses configurations progressivement moins convergentes adaptées pour éjecter des flux progressivement augmentés, défléchit d'une valeur moindre le flux éjecté de l'axe d'écoulement de la tuyère en forme de tuyau coudé, jusqu'à ce que, dans une position parallèle des pétales de tuyère, le flux éjecté de la tuyère à pétales suive l'axe d'écoulement de la tuyère en forme > de tuyau coudé. En faisant pivoter la tuyère pivotante en forme de tuyau coudé, dans sa configuration convergente pour éjecter le flux non augmenté, jusqu une position angulaire dirigée vers l'avant par rapport à la position angulaire choisie pour une configuration moins convergente adaptée pour éjecter un flux augmenté, il est possible, du fait de la déflection provoquée par la tuyère convergente à pétales, de faire en sorte qu'aussi bien les flux augmentés que non augmentés soient éjectés verticalement vers le bas mais que la ligne de poussée de la tuyère soit plus entrant pour le flux non augmenté que pour le flux augmenté. La possibilité de déplacer la ligne de poussée du flux augmenté par rapport à la position de la ligne de poussée pour le flux non augmenté évite pratiquement tout déplacement de la ligne de poussée du moteur. Dans une variante de réalisation de l'invent on os prévoit un déflecteur apte à etre placé, au moins lors d'un décollage vertical, de façon à défléchir un desdits flux propulsifs du moteur. Le déflecteur peut être fixé à la tuyère, ou dans une variante, peut être fixé à l'avion ou à la structure du moteur. - Des différentes formes ci exécution de l'invention seront maintenant décrites à titre d'exemples en reférence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une vue en plan dune coupe partielle d'un moteur à turbine à gaz selon l'invention. La figure 2 est une vue schématique du moteur montrée à la figure 1 vu de côté. Les figures 3A et 33 sont des vues schématiques d'une autre forme de réalisation. La figure 4 est une vue schématique drune autre forme de réalisation. Comme montré à la figure 1 un moteur à turbine à gaz 10, prévu pour la propulsion à réaction d'un avion à décollage et atterrissage court ou vertical, comprend un moteur à double flux Il ayant un compresseur avant 12 qui comprime de l'air amené d'une entrée d'air 13 et fournit une première partie de sa sortie par l'intermédiaire d'un séparateur de flux 14 à une chambre de tranquillisation 15 et la seconde partie à un générateur de gaz. Le générateur de gaz comprend un compresseur haute pression 17 pour comprimer encore le flux fourni par le séparateur de flux, une chambre de combustion 18 dans laquelle le flux est mélangé avec du combustible et le mélange est brûlé, et une turbine 19 entraînée par les produits de combustion et agencée pour entraîner le compresseur haute pression 17 par l'intermédiaire d'un arbre 20. Une seconde turbine 21 est disposée en aval de la première turbine et agencée pour entraîner le compresseur avant 12 parl'internédiaire d'un second arbre 22. Les gaz chauds quittant la seconde turbine forment un des flux propulsifs du moteur et sont éjectés du moteur par l'intermédiaire d'une pièce en Y 23 et d'une paire de tuyères pivotantes 24, 25 disposées dans des plans latéraux de part et d'autre de la ligne médiane 26 du moteur. Les tuyères sont montées pivotantes d'une façon connue sur des paliers respectifs 27, 28. L'écoulement relativement froid, fourni à la chambre de tranquil- lisation 15, forme un second flux propulsif du moteur et est éjecté du moteur par une seconde paire de tuyères pivotantes 29, 30 disposées dans des plans latéraux de part et d'autre de la ligne médiane du moteur. Il est prévu une chambre de combustion auxiliaire 31 dans la chambre de tranquillisation 15, dans laquelle du combustible peut être brûlé pour augmenter la poussée de l'écoulement froid avant. Les tuyères avant 29, 30 sont montées pivotantes sur des paliers respectifs 32, 33 t chaque tuyère se termine à son extrémité aval par des tuyères à pétales resepctives 34, 35. La figure 2 montre que chaque tuyère à pétales a des- pétales 36 plus longs sur un côté 37 que sur l'autre côté 38. De plus, lorsque la tuyère 30 en forme de tuyau coudé est dans sa position 39 montrée en traits pointillés et que la tuyère à pétales 37 est dans sa position la plus conwevgente pour un flux froid non augmenté, la direction d'éjection 40 de la tuyère à pétales est défléc'nie de l'axe d'écoulement 41 de la tuyère en forme de tuyau coudé, pour se décharger verticalement vers le bas. Si l'écoulement des tuyères pivotantes avant est augmenté, la tuyère à pétales est ouverte dans sa configuration parallèle directe, et la tuyère pivotante est déplacée vers sa position 42 montrée en traits pleins.Dans la position 42, le flux est toujours déchargé verticalement vers le bas comme montré par la flèche 43 mais n'est plus défléchi de l'axe d'écoulement 4t de la tuyère pivotante à tuyau coudé. L'effet de la différence de position angulaire de la tuyère pivotante à tuyau coudé , combinée avec la déflection variable du flux provenant de la convergence variable de la tuyère à pétales de longueurs différentes, est de déplacer la ligne de poussée 43 du flux augmenté vers l'arrière par rapport à la ligne de poussée 40 du flux non augmenté. La ligne de poussée résultante du moteur dépend de la grandeur des poussées des tuyères pivotantes avant et arrière et de la position de la direction de leur ligne de poussée. Lors d'un décollage vertical la poussée des tuyères pivotantes arrière reste sensiblement constante et agit le long de la même ligne, quelque soit l'augmentation du flux éjecté par les tuyères pivotantes avant. Le déplacement de la ligne de poussée pour le flux éjecté par les tuyères pivotantes avant, qui dépend de l' augmsntation du flux éjecté par les tuyères avant combiné avec la ligne de poussée fixe des tuyères pivotantes arrière , permet à la ligne de poussée résultante du moteur d'être telle qu'elle passe toujours sensiblement par le centre de gravité 45 de l'ensemble de l'avion et du moteur. Le tuyère pivotante 30, en forme de tuyau coudé, peut être déplacée jusqu'à sa position 44 montrée en traits mixtes pour se décharger vers l'arrière, et on comprendra que dans cette position également, la direction d'éjection de la tuyère varie selon que le flux est ou n'est pas augmenté. Le problème n'est pas aussi serieu; que lors d'une éjection vers le bas pour les raisons suivantes. Le centre de gravité de l'avion sur lequel le moteur est installé est approximativement au point 45 de sorte qu'un changement dans la direction d'éjection des tuyères 29 et 30, lorsqu'olles sont dirigées vers l'arrière, provoque seulement une faible variation du moment de tangage de l'avion. Il est possible, avec les surfaces de contrôle de l'avion, d'équilibrer tout moment de tangage faible qui peut être produit. I1 est également possible de surmonter tout problème qui peut provenir d'un moment de tangage en vol vers l'avant en faisant varier légèrement l'inclinaison des tuyères pivotantes arrière 24 et 25. Ceci ne provoquera pas de perte de poussée appréciable étant donné que la déflection angulaire des tuyères arrière n'a pas besoin d'être importante pour produire un moment de tangage sIgnificatif sur l'avion. Des variations dans la direction d'éjection des tuyères pivotantes avant qui se produisent lorsque la surface de sortie des tuyères est variée lors d'un vol vers l'avant, et qui sont équilibrées par les surfaces de contrôle aérodynamiques ou par une variation de l'inclinaison des tuyères pivotantes arrière , donnent lieu à une certaine trainée induite. I1 est cependant possible de minimiser la traînée induite dans chaque condition de vol particulière. Ainsi, dans la conception d'un avion pour des missions d'interception supersoniques, la traînée induite peut être minimisée pour les conditions de vol supersoniques et la traSnée induite la plus élevée tolérée dans des conditions de vol subsoniques. En concevant un avion particulier, le choix des orientations relatives des tuyères et de l'action des surfaces de contrôle aérodynamiques peut être modifié pour tenir compte du mouvement du centre de sustentation de l'avion qui se produit en vol supersonique. Les mécanismes d'actionnement des tuyères à pétales 34 et 35 n'ont pas été décrits, mais l'Homme de l'part comprendra que les moyens connus pour contrôler les tuyères à pétales peuvent être appliqués immédiatement à la tuyère variable à pétales décrite ci-iessus. On pourra en particulier utiliser des moyens décrits dans le brevet britannique Si 1.278.801. On comprendra de plus que les mécanismes d'actionnement de la tuyère de section variable doivent fonctionner en aval du palier de pivotement sur lequel la tuyère pivotante est supportée. En effet de tels mécanismes sont nécessaires pour transmettre le signal ou l'effort d'actionnement au delà du palier de pivotement. Un mécanisme convenable est décrit dans le brevet britannique NO 1.177.954. Dans une variante de réalisation de l'invertion une tuyère pivotante telle que montrée aux figures 3A et 33 a un déflecteur mobile 50 qui remplace la tuyère à pétales de longueurs variables montrée aux figures 1 et 2. Le déflecteur mobile 50,qui est d'une forme générale en Uest monté pivotant autour d'un palier 5G et est contrôlé par un mécanisme 52 et coopère avec le bord 53 d'une tuyère pivotante en forme de tuyau coudé pour permettre de faire varier à la fois la surface de sortie de tuyère et la direction d'éjection du flux propulsif par rapport à l'axe découlement 41 de la tuyère à tuyau courbé, d'une façon analogue à la tuyère à pétales de longueurs variables. Selon une autre forme de réalisation montrée schématiquement à la figure 4, un écran déflecteur 60 est supporté par la structure de l'avion 61 et sert à défléchir le flux sortant de la tuyère pivotante avant 61 lors d'un décollage vertical. Les tuyères pivotantes avant 61 sont chacune munie de tuyères conventionnelles 62 à section variable et à pétales de longueurs égales et la déflection du jet de l'axe d'écoulement de la tuyère est produite par l'écran 60, un écran étant prévu pour chaque tuyère. Le fonctionnement des tuyères pour des flux augmentés ou non augmentés est similaire à celui des agencements des figures précédentes. Les écrans déflecteurs 60 peuvent être rétractés ou déployés lors d'un vol vers l'avant de l'avion par l'action des vérins pneumatiques 63. Les écrans déflecteurs 60 peuvent être rétractés jusqu'à des positions 54 où ils sont encastrés dans des dépressions 65 qui sont formées de chaque côté du fuselage 66, lors du vol vers l'avant de l'avion. Ce dernier agencement a certains avantages, en particulier celui d'éviter les complications provenant d'une déflection variable d'écoulement propulsif qui accompagne les variations de la surface de la tuyère lors d'un vol vers l'avant. Un autre avantage provient du fait que l'écran déflecteur peut être utilisé pour augmenter le déplacement effectif du point par lequel agit la poussée augmentée des tuyères pivotantes sans augmenter la longueur des tuyères pivotantes. Une telle augmentation de la longueur des tuyères pivotantes est désavantageuse étant donne qu' elle peut créer une traînée additionnelle lors d'un vol vers l'avant et provoquer des charges de fonctionnement accrues dans le mécanisme de contrôle de la tuyère. Les charges dans le mécanisme de contrôle de la tuyère seront de toute façon réduites par rapport à celles des formes de réalisation précédentes étant donné que l'utilisation d'une tuyère à pétales conventionnelle entralne qu'il n'y a plus de bras de levier sur lequel peut agir le flux défléchi Bien que l'écran déflecteur ait été montré supporté par la structure de l'avion, on comprendra ou'il peut, dans une variante, être supporté par la structure du moteur. On comprendra de plus que, bien que les formes de réalisation-décrites montrent des tuyères pivotantes en forme de tuyau coudé, dtautres formes ce tuyères peuvent être utilisées. En particulier il est possible de rassembler les flux propulsifs froids du moteur dans une seule tuyère disposée sous le fuselage et de fournir des moyens pour faire varier la ligne de poussée de cette tuyère pour compenser l'augmentation du flux froid. REVSoWICADIGYTS 1.- tuteur apte à la propulsion par réaction d'un avion à décollage court ou vertical, comprenant un turbomoteur apte à produire deux flux propulsifs, au moins une tuyère pour chacun de ces flux apte à faire varier la direction d'éjection de chacun des flux propulsifs, des moyens pour brûler sélectivement du combustible dans un desdits flux propulsifs pour augmenter la poussée disponible de ce flux propulsif, caractérisé en ce que, au moins lors de éjection vers le bas des deux flux propulsifs, il est prévu des moyens aptes à déplacer la ligue de poussée dudit flux propulsif lors de l'augmentation de ce flux pour éviter un changement sensible dans la position de la ligne de poussée du moteur. 2.moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est prévu deux tuyères pivotantes d'un t- n connu en soi aptes à éjecter ensemble ledit flux propulsif augmenté, chaque tuyère pivotante ayant à son extrémité aval cies. moyens -sour défléchir le flux propulsif de l'axe d'écoulement de la tuyère qui, en combinaison avec la variation de la position angulaire de la tuyère pivotante, permet de faire varier la position de la ligne de poussée des flux éjectés de cette tuyère. 3.- EToteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens pour défléchir le flux propulsif de l'axe d'écoulement de la tuyère comprend une tuyère à pétales de surface variable ayant des pétales plus longs sur un côté que sur un autre, et qui peut passer d'une première position convergente de surface relativement réduite dans laquelle les pétales de tuyères coopèrent pour défléchir le flux propulsif de l'axe d'écoulement de la tuyère pivotante, à une seconde position de surface relativement augmentée dans laquelle les pétales de tuyères coopèrent pour permettre un écoulement sensiblement non défléchi au travers de la tuyère pivotante. 4.- Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens pour défléchir le flux propulsif de l'axe d'écoulement de la tuyère comprennent un déflecteur monté pivotant sur la tuyère pivotante, apte à être déplacé entre une première position de surface relativement réduite, dans laquelle il ferme la sortie de la tuyère pivotante et défléchit le flux propulsif de l'axe d'écoulement de la tuyère, et une seconde position de surface relativement augmentée dans laquelle la tuyère pivotante n'est pratiquement pas fermée par le déflecteur et dans laquelle le flux éjecté par la tuyère pivotante n'est sensiblement pas défléchi 5.-Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu deux tuyères pivotantes d'un type connu en soi aptes à éjecter ledit flux propulsif augmenté, et au moins un écran déflecteur disposé adjacent aux extrémités aval des tuyères pivotantes, pour coopérer avec les tuyères pivotantes dans une de ses positions angulaires par rappoft au moteur pour modifier la ligne de poussée de tuyères pivotantes en défléokissant le flux propulsif éjecté de ces tuyères. 6.- Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens pour rétracter l'écran déflecteur dans une position de repos où il est encastre dans le fuselage d'un avion sur lequel le moteur est installe.