Brevet FR2687734A1 — publié le 19930827

i DISPOSITIF ACCROCHE-FLAMMES A GEOMETRIE VARIABLE DESTINE A ETRE UTILISE DANS LE DISPOSITIF POST-COMBUSTION D'UNE TURBOMACHINE DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif accro- che-flammes à géométrie variable, destiné à être utilisé dans le dispositif de post-combustion d'une turbomachine, notamment dans un turboréacteur équipant les avions militaires de chasse. Ce type de turboréacteur comprend une cham- bre de post-combustion ou de "réchauffe" constituant une deuxième chambre de combustion Cette deuxième chambre de combustion permet d'injecter une deuxième fois de l'énergie calorifique aux gaz entre le moment o ils sortent de la turbine et le moment o ils sont éjectés par une tuyère. La figure 1 jointe est un schéma illustrant un turboréacteur classique muni d'une chambre de post-combustion Cette figure permet d'expliquer le fonctionnement d'un tel turboréacteur Un unique flux d'air F entre par la manche d'entrée d'air et traverse un compresseur basse pression 2 Ensuite, l'air se divise en un flux primaire I et en un flux secondaire II Le flux primaire I traverse succes- sivement un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 6, une turbine 8, une chambre de post-combustion 10 et une tuyère 12 à section variable Le flux d'air secondaire II sert d'une part au refroidissement de la chambre de post- combustion 10 et d'autre part, constitue un apport d'air non brûlé dans cette chambre de post-combustion. Plus précisément, la première chambre de combustion 6 comprend une zone primaire o L'on ap- porte uniquement L'air nécessaire pour que La combus- tion du méLange air-carburant se fasse dans des condi- tions stoechiométriques On atteint alors des tempéra- tures voisines de 20001 C Les gaz chauds sont ensuite mélangés à de l'air plus frais dans une zone secondai- re (zone de dilution) de façon à abaisser leur tempé- rature à un niveau acceptable pour la turbine 8. Les gaz issus de La chambre de combustion 6 contiennent donc une certaine quantité d'oxygène qui aurait pu brûLer trois à quatre fois plus de carburant C'est précisément cet excès d'oxygène qui va permettre de brûler le carburant apporté en ava L dans la chambre de post-combustion 10. Le dispositif de post-combustion permet donc d'augmenter la vitesse d'éjection des gaz et d'augmenter en conséquence La poussée des turboréac- teu rs. En outre, Le dispositif de post-combus- tion comprend une série de systèmes 14 d'injection de carburant et de dispositifs accroche-f Lammes 16 constitués par des p Laques Les p Laques accroche-flam- mes 16 ont pour rôle de créer une turbulence à L'inté- rieur de La chambre de post-combustion 10 afin d'augmenter Le temps de séjour du mélange air et carburant à l'intérieur de cette chambre On stabilise ainsi La combustion et Les rendements obtenus sont plus éLevés. Comme ce La a été dit précédemment, le but de La chambre de post-combustion est d'apporter à l'avion une poussée supplémentaire des turboréacteurs. Le pi Lote de l'avion de chasse fait fonctionner Le turboréacteur en régime "post-combustion" soit au décol Lage, soit en combat pour échapper à un autre avion Au contraire, Le reste du temps, le turbo- réacteur fonctionne en régime "moteur sec", c'est-à-dire qu'il n'y a pas d'apport de carburant et donc pas de combustion dans la chambre de post-combustion. Si les plaques accroche- flammes, sont très utiles lors du fonctionnement en régime "post-combus- tion", elles sont par contre inutiles et même généra- trices de pertes de charge, lors du fonctionnement en régime "moteur sec", du fait de leur position dans la chambre de post-combustion et de leur géomé- trie En conséquence, il est nécessaire de réaliser des plaques accroche-flammes à géométrie variable en vue d'une adaptation optimale aux différents régi- mes de fonctionnement. On connaît déjà d'après le brevet FR 995 748, des stabilisateurs de flammes utilisés dans des installations de post- combustion d'un moteur à réaction Ces stabilisateurs sont constitués par une plaque pouvant pivoter autour d'un axe la traversant, de façon à occuper une position perpendiculaire au flux d'air en fonctionnement "post- combustion", ou au contraire, une position parallèLe au flux d'air, en fonctionnement "moteur sec" Ce document décrit également des stabilisateurs formés de deux pièces incurvées reliées par leurs bords d'attaque et pouvant s'ouvrir ou se fermer en fonction du régime de fonctionnement. On connaît également d'après le brevet GB 1 245 673, des dispositifs de post-combustion munis d'accroche-flammes à géométrie variable, consti- tués par deux ailettes articulées autour d'un axe central et pouvant s'ouvrir lors du fonctionnement en mode post-combustion. On connaît également d'après la demande de brevet EP-0-094 296 de la déposante, un dispositif de réglage pour déplacer en position ouverte et fermée des aubes, afin d'optimiser les conditions de vol en ajustant les rapports entre le flux primaire et le flux secondaire. Par ailleurs, on connaît également des dispositifs tels que des aubes qui ne sont pas des accroche-flammes mais qui sont constitués en matériau composite et dont les extrémités sont fixées sur des pièces métalliques permettant éventuellement de les déplacer De tels montages sont décrits notam- ment dans les demandes de brevets FR-2 312 673 et FR 2 522 362. Dans la plupart des dispositifs de post-combustion existants, les plaques accroche-flammes sont généralement soumises à des efforts aérodynamiques très importants qui ont tendance à les faire fléchir ou même à les déformer. Ce problème est d'autant plus important que ces plaques sont très souvent réalisées en matériau composite céramique En effet, ces matériaux sont utilisés car ils resistent bien à des températures très élevées et qu'ils permettent de fabriquer des plaques accroche-flammes d'un poids beaucoup plus faible que les plaques métalliques Toutefois, ils sont fragiles Les efforts s'exercent non seulement sur les plaques elles-même, alors qu'elles sont réalisées en matériaux fragiles, mais également sur leurs liaisons avec des parties métalliques servant de support et de dispositif de commande du calage. En conséquence, L'invention a pour but de limiter les inconvénients précédemment cités et notamment de réduire les efforts de flexion exercés sur les plaques accroche-flammes. A cet effet, L'invention concerne un dispo- sitif accroche-flammes à géométrie variable destiné à être utilisé dans Le dispositif de post-combustion d'une turbomachine, comprenant une pluralité de bras diffuseurs régulièrement répartis et placés à la sortie d'un canal de flux d'air secondaire défini entre un carter cylindrique extérieur et un carter cylindrique intérieur et une pluralité de paires de plaques accroche-flammes régulièrement réparties et disposées à la sortie d'un canal de flux d'air primaire défini entre ledit carter intérieur et un cône arrière centra L, les bras diffuseurs étant fixés au carter cylindrique extérieur et chaque plaque accroche-flammes étant disposée radialement autour du cône arrière central et montée pivotante sur le bras diffuseur correspondant. Selon les caractéristiques de l'invention, chaque plaque accroche-flammes est réalisée en maté- riau composite, et fixée sur le bras diffuseur au moyen d'un étrier support métallique, les deux plaques de chaque paire comprenant une came formant saillie depuis leurs faces en regard, ces deux cames prenant appui l'une contre l'autre. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, chaque came présente une zone périphérique au moins partiellement circulaire de façon à toujours être en contact avec la came correspondante lors de la rotation des plaques accroche-flammes. Grâce à ces caractéristiques de l'invention, on évite que les plaques accroche-flammes soient en porte-à-faux et ne subissent des efforts trop importants. Le dispositif est équilibré mécaniquement et en outre, les cames ont un rôle amortisseur qui donne à l'ensemble une bonne tenue vibratoire. De façon avantageuse, la came est d'une seule pièce avec la plaque accroche-flammes et elle est réalisée en matériau composite. Ainsi, il est possible d'intégrer cette came lors de la fabrication de la plaque accroche-flammes Cet aménagement de la plaque accroche-flammes est donc relativement simple et d'un coût faible comparativement aux avantages apportés par cette solution. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel donné à titre d'exemple illustratif, cette description étant faite en faisant référence aux dessins joints dans lesquels: la figure 1 est un schéma illustrant en coupe, la structure générale d'un turboréacteur selon l'art antérieur, la figure 2 est une vue en coupe d'une partie du dispositif de post-combustion selon l'inven- tion, la figure 3 est une vue en perspective des plaques accroche- flammes selon l'invention, et les figures 4 et 5 illustrent les plaques accroche-flammes, vues en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3, respectivement en position "post-combustion" et en position "moteur sec" Comme illustré en figure 2, le dispositif accroche-flammes à géométrie variable selon l'inven- tion est destiné à être utilisé dans un dispositif de post-combustion Ce dernier comprend une chambre de post-combustion 1, un dispositif d'alimentation en carburant 3 et le dispositif accroche-flammes proprement dit 5 Comme cela a déjà été décrit en référence avec la figure 1, la chambre de post-combus- tion 1 est placée en aval des turbines haute et basse pressions et en amont des tuyères d'éjection d'air. Plus précisément, et comme illustré en figure 2, cette chambre de post-combustion 1 est p Lacée simulta- nément à la sortie d'un canal de flux d'air secondaire 7 et d'un canal de flux d'air primaire 9 Le canal de flux d'air secondaire 7 est défini par deux parois constituées respectivement par un carter cylindrique extérieur 11 et un carter cylindrique intérieur 13. Ce canal de flux secondaire est donc annulaire Le canal de flux d'air primaire 9 est défini d'une part par la paroi intérieure du carter cylindrique inté- rieur 13 et d'autre part, par un cône arrière central disposé en aval des turbines Les deux flux d'air primaire et secondaire se rencontrent au niveau d'une zone, dite zone de confluence 17 située à l'entrée de la chambre de post-combustion 1 Le dispositif accroche-flammes 5 est justement placé au niveau de cette zone de confluence 17. Le dispositif accroche-flammes 5 comprend au moins une pluralité de bras diffuseurs 19 et plu- sieurs paires de plaques 21 accroche-flammes Plus précisément, les bras diffuseurs 19 sont placés à la sortie du canal de flux d'air secondaire 7, tandis que les paires de plaques accroche-flammes 21 sont disposées à la sortie du canal de flux d'air primaire 9 La totalité des plaques accroche-flammes 21 est disposée radialement autour du cône arrière central 15. Chaque bras diffuseur 19 est caréné et présente un bord d'attaque 23 et un bord de fuite Il est fixé par sa partie radialement extérieure sur le carter extérieur 11 Ce bras diffuseur est creux et métallique La structure de ce bras diffuseur et son mode de fixation sont classiques et ne seront pas décrits davantage Ce bras supporte au niveau de son bord de fuite 25, un anneau brûleur 27 permet- tant l'alimentation en carburant de la chambre de post-combustion 1 Cet anneau 27 présente une struc- ture classique. Chaque plaque accroche-flammes 21 présente également une structure carénée, et donc un bord d'attaque 29 et un bord de fuite 30 Ces p Laques accroche-flammes 21 sont réalisées en matériau compo- site, de préférence en matériau composite céramique du type Si C/Si C Leur extrémité radialement inté- rieure 31 est Libre Au contraire, leur extrémité radialement extérieure 32 est fixée par l'intermé- diaire d'un étrier support 33, aux bras diffuseurs 19 Ce mode de fixation apparaît mieux en figure 3. La partie radialement extérieure 32 de la p Laque 21 présente une forme évasée tronconique L'étrier support 33 se présente sous la forme d'une gouttière dont les deux extrémités sont rap- prochées de façon à présenter en coupe une forme également tronconique La forme spécifique de cette gouttière est conçue pour s'adapter sur la partie d'extrémité 35 En outre, un pion de fixation axiale 37 traverse cet étrier support 33 et La partie d'extrémité 35 Ce pion permet d'éviter les déplacements axiaux de la plaque accroche-flammes 21, ces déplacements pouvant être induits soit par conduction thermique, soit par des phénomènes vibratoires, et risquant d'entraîner l'ouverture de l'étrier 33. En outre, un axe de rotation 39 est prévu sur La surface radialement extérieure de l'étrier support 33 Cet axe de rotation 39 peut ou non être décentré par rapport à la surface radia Lement exté- rieure de l'étrier support 33 Cet axe 39 traverse de part en part le bras diffuseur 19, ainsi que le carter cylindrique extérieur 11, comme illustré en figure 2 Cet arbre 39 est relié à un dispositif de commande de la rotation référencé de manière géné- rale 40 et constitué de façon classique par un système d'anneaux et de biellettes entraînés par un vérin. Ce système est classique des dispositifs permettant le ca Lage des aubes selon un pas variable On notera que l'étrier support 33 affleure au niveau du carter cylindrique intérieur 13. Comme illustré en figure 3, ces plaques accroche-flammes 21 sont disposées par paire Lors du fonctionnement du dispositif de postcombustion en mode "post-combustion", les accroche-flammes permettent une bonne stabilisation de la flamme. Les paires de plaques accroche-flammes 21 sont disposées comme illustré en figure 4 de façon que leurs deux bords d'attaque respectifs 29 se touchent. Ces plaques accroche-flammes sont donc disposées en V dans Le front de flammes Le flux d'air primaire arrivant sur ces paires de plaques 21 est dévié et doit passer dans l'espace 41 entre deux paires de p Laques voisines o i L est accéléré et o sont créées des turbulences (trajet schématisé par les flèches). Lorsque le dispositif fonctionne en mode "moteur sec", les paires de plaques accroche-flammes 21 sont disposées comme illustré en figure 5, c'est-à-dire que leurs bords d'attaque 29 ne convergent plus. Elles sont alors parallèles à l'écoulement des gaz. Comme illustré en figure 3, chaque p Laque accroche-flammes 21 présente sur sa face interne 42, une came 43 (Les deux faces internes d'une paire de plaques sont les faces placées en regard) La came 43 est placée de préférence dans la moitié infé- rieure de la plaque accroche-flammes 21 et est réali- sée dans le même matériau composite que celui consti- tuant l'accroche-flammes 21 Généralement, cette came est fabriquée d'une seu Le pièce avec Ladite plaque 21 Ces cames sont de faib Le épaisseur et présentent un rebord périphérique 45 au moins partiel- lement circu Laire comme i L Lustrée en figure 4 On peut considérer que Le centre de rotation de chaque plaque se situe au centre de la came 45 Ce centre de rotation est référencé 47 Les deux cames 43 de chaque paire de plaques accroche-flammes 21 se font face et sont continuellement en contact lors du déplacement entre la position "post-combustion" représentée en figure 4 et la position "moteur sec" représentée en figure 5 Le fait d'avoir des cames permet aux deux plaques formant accroche-flammes 21 de s'appuyer l'une contre l'autre et de pivoter sans déformation. En effet, dans l'art antérieur, les plaques accroche-flammes 21 étaient placées en porte-à-faux et leurs extrémités radialement intérieures 31 avaient tendance à se déformer en se rapprochant En plaçant ces cames 43 judicieusement, on peut constater que les moments de flexion s'exerçant à l'extrémité 35 de la plaque 21 et au niveau de la came 43 sont équi- valents. Pour avoir une épaisseur constante de la plaque 21, on a calculé que les moments de flexion étaient égaux lorsque a=L ( 1), avec "a" repré- sentant la distance entre la came 43 et l'extrémité radialement intérieure 31 et L représentant la dis- tance entre la came 43 et la partie d'extrémité 35 de la plaque accroche-flammes 21 (voir figure 3). Cette position est préférentielle, néanmoins, il est possible de déplacer la came 43 autour de cette position. En conséquence, alors que dans l'art anté- rieur, les plaques accroche-flammes 21 devraient 1 1 avoir une épaisseur de 8 mm pour satisfaire la tenue mécanique de la pièce, cette épaisseur n'est p Lus que de 2,5 mm en utilisant les cames 43 Ces plaques 21 sont donc p Lus minces, plus Légères et engendrent moins de pertes de charge en position "moteur sec", donc moins de problèmes aérodynamiques. REVENDICATIONS 1 Dispositif accroche-flammes à géométrie variable destiné à être utilisé dans le dispositif de post-combustion d'une turbomachine, comprenant une pluralité de bras diffuseurs ( 19) régulièrement répartis et placés à la sortie d'un canal de f Lux d'air secondaire ( 7) défini entre un carter cylin- drique extérieur ( 11) et un carter cylindrique inté- rieur ( 13) et une pluralité de paires de plaques accroche-flammes ( 21) régulièrement réparties et disposées à la sortie d'un canal de flux d'air pri- maire ( 9) défini entre ledit carter intérieur ( 13) et un cône arrière central ( 15), les bras diffuseurs ( 19) étant fixés au carter cylindrique extérieur ( 11) et chaque plaque accroche- flammes ( 21) étant disposée radialement autour du cône arrière central ( 15) et montée pivotante sur le bras diffuseur ( 19) correspondant, caractérisé en ce que chaque plaque accroche-flammes ( 21) est réalisée en matériau compo- site et fixée sur le bras diffuseur ( 19) au moyen d'un étrier support métallique ( 33) et en ce que les deux plaques ( 21) de chaque paire comprennent une came ( 43) formant saillie depuis leurs faces ( 42) en regard, ces deux cames ( 13) prenant appui l'une contre l'autre. 2 Dispositif accroche-flammes à géométrie variable selon La revendication 1, caractérisé en ce que chaque came ( 43) présente un rebord périphé-30 rique ( 45) au moins partiellement circulaire, de façon à toujours être en contact avec la came ( 43) correspondante, lors de la rotation des plaques ac- croche-flammes ( 21). 3 Dispositif accroche-flammes à géométrie variable selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la came ( 43) est d'une seule pièce avec la plaque accroche-flammes ( 21) et en ce qu'elle est réalisée en matériau composite. 4 Dispositif accroche-flammes à géométrie variable selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le matériau composite est un matériau de type céramique. Dispositif accroche-flammes à géométrie variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité radialement extérieure ( 35) de la plaque accroche-flammes ( 21) est évasée et s'en- castre dans l'étrier support ( 33) présentant une forme correspondante et en ce qu'un pion axial ( 37) traverse sensiblement perpendiculairement cette extré- mité radialement extérieure ( 35) et l'étrier support ( 33). 6 Dispositif accroche-flammes à géométrie variable selon la revendication 1 ou 5, caractérisé en ce qu'un axe de pivotement ( 39) solidaire de L'é- trier support ( 33) traverse le bras diffuseur ( 19) correspondant. 7 Dispositif accroche-flammes à géométrie variable selon la revendication 1 ou 6, caractérisé en ce que le bras diffuseur ( 19) supporte les moyens d'alimentation en carburant ( 3) dans sa partie aval.