Brevet FR2705736A1 — publié le 19941202

" Tuyère de poussée pour propulsion par réaction avec élé- ments de fixation " L'invention concerne une tuyère de poussée pour propulsion par réaction avec au moins une paroi de tuyère du côté des gaz chauds qui est reliée à une structure por- teuse par l'intermédiaire d'une pluralité d'éléments de fixation répartis dans le plan de la paroi. Une telle tuyère de poussée est décrite dans le document DE 41 15 403 Ai. Pour de futurs avions spatiaux réutilisables, il est prévu des combinés fusée-statoréacteur avec différentes propulsions par réaction. Pour obtenir une poussée élevée et une possibilité simple de commutation entre les modes d'exploitation, des tuyères de poussée de section transver- sale rectangulaire sont particulièrement indiquées. Les pa- rois de telles tuyères de poussée sont exposées à des efforts de pression et à des températures élevées du jet de poussée. Contrairement aux parois de tuyères de poussée de section transversale circulaire, les efforts de pression donnent naissance dans les parois planes des tuyères rec- tangulaires à des couples de flexion élevés. Ces couples de flexion et les dilatations thermiques peuvent en consé- quence provoquer des gauchissements ou des déformations dans la tuyère de poussée, qui mettent en danger un fonc- tionnement correct de la tuyère. Pour éviter, dans la structure des plaques fortement sollicitées thermiquement 2n 2705736 et en règle générale activement refroidies, des tensions du fait que les dilatations thermiques se trouvent empêchées, il est proposé dans le document DE 41 15 403 Ai, de relier élastiquement à une structure porteuse, au moyen de petits crochets de maintien, la couche conductrice de la chaleur dans laquelle sont insérés de petits tubes de refroidisse- ment, tandis qu'entre la couche conductrice de la chaleur et cette structure porteuse, est introduite une couche de glissement pour permettre à la couche conductrice de la chaleur de se déplacer parallèlement. Comme couche de glis- sement, il est prévu un granulat de céramique qui d'une part doit transmettre les efforts de pression dans la structure porteuse et d'autre part tolérer les déformations de la couche conductrice de la chaleur provoquées par la température. La liaison entre la couche conductrice de la chaleur et la structure porteuse s'effectue ainsi aussi bien par l'intermédiaire des éléments de maintien en forme de crochets qu'également par l'intermédiaire de la couche de glissement. "0 En partant de là le but de l'invention est de créer une tuyère de poussée avec une paroi de tuyère indé- formable du type précité, qui reste dans une large mesure exempte de déformations dans les conditions d'exploitation et évite des tensions dans la paroi de la tuyère du fait que la dilatation thermique est empêchée. En outre, un cou- plage mécanique fiable doit être garanti entre la structure porteuse et la paroi de la tuyère. Ce but est atteint, selon l'invention, en ce que les éléments de fixation sont disposés entre la structure porteuse et la paroi de la tuyère à la façon d'un qua- drillage en rangées espacées les unes des autres, et sont assemblées avec la paroi de la tuyère respectivement dans un récepteur d'éléments en transmettant les efforts de pression, tandis qu'au moins une majorité des éléments de fixation est maintenue dans le récepteur d'éléments en 3 2705736 étant susceptible de coulisser longitudinalement par rap- por.t à la paroi de la tuyère dans la direction des rangées tandis qu'elle est maintenue avec du jeu transversalement par rapport à cette direction, et la paroi de la tuyère est fixée par emplacements par rapport à la structure porteuse contre un déplacement transversal par rapport à la direc- tion des rangées et dans la direction des rangées. L'agencement selon l'invention présente l'avan- tage de garantir une fidélité de forme élevée de la paroi de la tuyère dans les conditions de fonctionnement, grâce à la liaison relativement rigide de la paroi de la tuyère sur la structure porteuse perpendiculairement au plan de la pa- roi, sans provoquer pour autant des tensions du fait que la dilatation thermique est empêchée. La transmission des ef- forts de pression des gaz qui sont absorbés par la paroi de la tuyère, et la compensation de la dilatation thermique différente entre la paroi de la tuyère et la structure por- teuse, s'effectuent alors par l'intermédiaire des éléments de fixation. Une couche intermédiaire fonctionnelle supplé- mentaire pour la transmission des efforts de pression des gaz ou bien pour la compensation de la dilatation thermique différente devient ainsi inutile. Une fixation univoque précise en position de la paroi de la tuyère par rapport à la structure porteuse, résulte de la fixation par places de la paroi de la tuyère par rapport à la structure porteuse grâce au couplage transmettant les efforts de pression en- tre la paroi de la tuyère et la structure porteuse. Grâce à un certain espacement entre la paroi de la tuyère et la structure porteuse du fait des éléments de fixation placés entre elles, on obtient un effet d'isolation thermique en- tre la paroi de la tuyère et la structure porteuse pour éviter un échauffement inadmissible de la structure por- teuse. Une réalisation du couplage avantageuse pour re- lier dans une position précise la paroi de la tuyère à la structure porteuse, avec en outre une possibilité de dila- tation suffisante de la paroi de la tuyère, résulte des réalisations préférées de l'invention selon les quelles: - la fixation de la paroi de la tuyère transversalement par rapport à la direction (R) des rangées, s'effectue par un certain nombre d'éléments de fixation d'une rangée, suscep- tibles de coulisser longitudinalement et qui, transversale- ment par rapport à la direction (R) des rangées, sont guidés essentiellement sans jeu.; - la fixation de la paroi de la tuyère dans la direction (R) des rangées, s'effectue grâce à un certain nombre d'éléments de fixation pouvant coulisser transversalement par rapport à la direction (R) des rangées et qui sont maintenus essentiellement sans jeu dans la direction (R) des rangées.; - les éléments de fixation susceptibles de coulisser trans- versalement par rapport à la direction (R) des rangées se situent sur un axe de grille (G') s'étendant transversale- ment par rapport à la direction (R) des rangées.; - les rangées sont espacées parallèlement les unes des au- tres. Pour des parois de tuyère qui s'étendent des deux côté de l'étranglement d'une tuyère de poussée conver- gente/divergente, une réalisation convient particulière- ment; selon celle-ci la paroi de la tuyère est coudée en forme de V tandis que les éléments de fixation sont prévus dans les zones de paroi des deux côtés de la courbure et que la direction des rangées est perpendiculaire à l'axe de courbure. Du fait de la disposition des éléments de fixa- tion dans les zones de paroi plane des deux côtés de la courbure, la paroi de la tuyère est fixée transversalement par rapport à l'étranglement ou bien par rapport à l'axe de courbure sans qu'une fixation distincte par des éléments de fixation soit nécessaire. 2705736 Pour une adaptation optimale de la fixation de la paroi de la tuyère aux conditions d'écoulement dans la tuyère, qui détermine la sollicitation thermique et mécani- que de la paroi de la tuyère, la tuyère de poussée est avantageusement caractérisée en ce que: - la direction (R) des rangées est orientée à peu près dans la direction d'écoulement (S) de la tuyère de poussée; - les points de fixation de la paroi de la tuyère sont pré- vus dans la direction des rangées à peu près dans la zone de la section transversale (Q) de la tuyère. Selon des configurations avantageuses de l'in- vention qui contribuent à simplifier la construction de la tuyère de poussée: - les rangées sont espacées uniformément les unes des au- tres.; - les éléments de fixation sont espacés uniformément les uns des autres dans la direction (R) des rangées.; - les récepteurs d'éléments sont rapportés côté structure porteuse sur la paroi de la tuyère aux points d'intersec- O20 tion d'un quadrillage imaginaire uniforme. Le fait de visser les éléments de fixation avec la structure porteuse s'avère favorable pour le montage et la réparation. Selon d'autres formes de réalisation de l'inven- tion, avantageuses du point de vue de la construction, - les éléments de fixation sont vissés avec la structure porteuse.; - les récepteurs d'éléments sont respectivement constitués de deux griffes de maintien disposées parallèlement l'une à l'autre, et qui entourent une tête en forme de champignon des éléments de fixation en formant un ajustement coulis- sant.: - les récepteurs d'éléments sont formés sur la paroi de la tuyère 6 2705736 - les éléments de fixation sont formés à partir d'une pla- que de fixation reliée à la structure de base et comportant du côté de la paroi de la tuyère des éléments en saillie pour permettre l'assemblage avec la paroi de la tuyère. - la structure porteuse constitue le carter de la tuyère. L'invention va être exposée plus en détail ci- après à l'aide des dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective et en coupe partielle d'une tuyère de poussée le Laval avec une section transversale de canal rectangulaire pour réacteur, - la figure 2a est une esquisse d'une paroi laté- rale plane de la tuyère, - la figure 2b est une vue en perspective d'une paroi de la tuyère courbée en forme de V, - la figure 3a est une section transversale selon la figure 1 de la paroi plane de la tuyère vissée avec le carter de la tuyère, - la figure 3b montre une partie de la tuyère de poussée de la figure 1 dans la zone de la section transver- "0 sale étroite avec la paroi courbée en forme de V en coupe longitudinale, - la figure 4a est une coupe transversale de la tuyère de poussée dans la zone de fixation d'un élément se- lon la figure 3a, - la figure 4b est une section transversale de la tuyère de poussée dans la zone de fixation d'un élément se- lon la figure 3b, - la figure 5a est une esquisse schématique de la paroi latérale plane de la tuyère avec l'indication des de- grés de liberté de déplacement, et - la figure 5b est une vue schématique en pers- pective de la paroi courbée en forme V de la tuyère avec l'indication des degrés de liberté de déplacement. Sur la figure 1 est représentée une tuyère de poussée de Laval 1, également appelée tuyère de poussée convergente/divergente, pour un réacteur non représenté plus en détail. Pour permettre le raccordement de la tuyère de poussée 1 à un réacteur, celui-ci est susceptible d'être bridé sur un tube de raccordement 2 de la tuyère de poussée 1. En fonctionnement, la tuyère de poussée 1 est parcourue axialement par les gaz selon le sens d'écoulement S. En aval, la tuyère de poussée 1 débouche dans une rampe d'ex- pansion 3 qui augmente la poussée maximale pouvant être ob- tenue de la tuyère de poussée 1 ou bien du réacteur. La section transversale de canal du tube de raccordement 2 se transforme en une section transversale rectangulaire cor- respondant à la section transversale du canal de la tuyère de poussée 1. Le carter 4 de la tuyère de poussée 1 se trouvant par rapport au sens de l'écoulement S entre le tube de raccordement 2 et la rampe d'expansion 3 sert, en tant que structure porteuse 4', à absorber les efforts de pression des gaz. Pour augmenter la rigidité du carter 4 de la tuyère et pour augmenter la surface de refroidissement, le carter 4 de la tuyère est muni vers l'extérieur d'une pluralité de nervure 5 se croisant. Vers l'intérieur, c'est-à-dire vers le canal d'écoulement K, la structure porteuse 4' est essentiellement plane. Le canal d'écoule- ment K de section rectangulaire est limité dans l'espace par les parois 6 de la tuyère couplées au carter 4 de la ?5 tuyère. Pour les protéger de la surchauffe, les parois 6 de la tuyère sont parcourues à l'intérieur, au voisinage du canal, par des canaux de refroidissement 7. Les canaux de refroidissement 7 (voir également figures 2b, 3a, 4a et 5b) sont pendant le fonctionnement alimentés en fluide de re- froidissement par des conduites tubulaires non représentées plus en détail. Deux parois de tuyère planes 6a et 6b, pla- cées parallèlement l'une en face de l'autre, limitent laté- ralement le canal d'écoulement K, tandis qu'une paroi supérieure 6c, coudée en forme de V, limite le canal d'écoulement vers le haut. Deux parois planes 6d et 6e, 8 2705736 contiguës et formant un V, délimitent le canal d'écoulement K vers le bas. Les courbures, conditionnées par la forme en V, des zones de paroi supérieures et inférieures de la buse s'étendent parallèlement à une certaine distance l'une de l'autre et se situent, en ce qui concerne l'écoulement, à la même profondeur de canal et donnent ainsi au canal d'écoulement K la transition convergente/divergente typique d'une tuyère de Laval. Les parois supérieures et inférieu- res 6c ou 6d et 6e s'appliquent de façon étanche par leurs bords latéraux terminaux 8 contre les parois latérales 6a et 6b. La figure 2a montre le côté opposé au canal d'écoulement K de la paroi 6a placé à droite par rapport au sens S de l'écoulement. Pour son adaptation à l'évolution en forme de V de la paroi supérieure 6c de la tuyère, la paroi 6a comporte une échancrure 9 en forme de V. On peut voir en outre la conformation en forme de griffe et la ré- partition en quadrillage des récepteurs d'éléments 10 côté structure porteuse sur la paroi 6a de la tuyère. Une con- formation identique et une disposition analogue des récep- teurs d'éléments 10 est visible sur le côté structure porteuse de la paroi 6c de la tuyère sur la figure 2b. Comme on peut le voir en détail sur les figures 3a et 3b ainsi que 4a et 4b, chaque paroi de buse 6a, 6b, 6c, 6d et 6e est couplée avec la structure porteuse 4' ad- jacente par l'intermédiaire d'une pluralité d'éléments de fixation 11. En outre, la paroi 6 de la tuyère, dans son étendue parallèle à la surface plane côté canal de la structure porteuse 4', est espacée de cette surface par les éléments de fixation 11 placés entre elles. Pour la trans- mission dans la structure porteuse 4' des efforts de pres- sion des gaz captés par la paroi 6 de la tuyère, les éléments de fixation 11 sont d'une part vissés à la struc- ture porteuse 4' et respectivement couplés dans un récep- teur d'éléments 10 de la paroi 6 de la tuyère en étant 9 2705736 mobiles longitudinalement par rapport à ce récepteur et en lui transmettant les efforts de pression. Les éléments de fixation 11 sont réalisés sous forme de champignons sur une plaque de fixation 12. Les éléments de fixation 11 sont disposés sur la plaque de fixation 12 de façon correspon- dant à la position des récepteurs de d'éléments 10 sur la paroi 6 de la tuyère. Les éléments de fixation 11 s'éten- dent perpendiculairement à la plaque de fixation 12 ou bien à la paroi 6 de la tuyère. Du côté de la paroi de la tuyère, les éléments de fixation 11 se terminent par une tête 13 en forme de patin avec des talons 14 s'étendant la- téralement, ces talons 14 étant respectivement embrassés par deux griffes de maintien 15 de récepteur d'éléments 10 pour permettre le guidage en déplacement longitudinal d'un élément de fixation 11. Comme on peut le voir également sur les figures 2a et 2b, deux griffes de maintien 15 sont res- pectivement rapportées parallèlement entre elles et à une certaine distance l'une de l'autre sur la paroi 6 de la tuyère côté structure porteuse, en formant ainsi un récep- teur d'éléments 10. Chaque griffe de maintien 15 forme ain- si avec la paroi 6 de la tuyère une rainure 16 s'étendant en direction longitudinale, dont la hauteur transversale- ment au plan de la paroi 6 est accordée à la hauteur du ta- lon 14 reçu de façon à pouvoir coulisser longitudinalement dans cette rainure, de sorte que des déplacements transver- saux par rapport au plan de la paroi 6 de la tuyère sont exclus dans une large mesure. Comme on peut le voir sur les figure 2a et 2b, la disposition des récepteurs d'éléments 10 sur les parois de tuyère 6 s'effectue aux points de quadrillage 11 qui résul- tent du croisement de deux groupes d'axes parallèles de grille G imaginaires. L'angle de grille a des axes G se croisant, est d'environ 850. Pour la représentation de la disposition en quadrillage des éléments récepteurs 10 sur le côté de la paroi 6 tourné vers la structure porteuse 4', 2705736 les parois 6a et 6c de la tuyère sont représentées sur les figures 2a ou 2b à l'état démonté, c'est-à-dire sans élé- ments de fixation 11. Pour une répartition uniforme de la charge, les récepteurs d'éléments O10, à l'exception de ceux placés à proximité de l'échangeur 9, sont disposés en ran- gées s'étendant parallèlement les unes aux autres. L'inter- valle a est alors constant d'une rangée à l'autre. L'intervalle b des récepteurs d'éléments 10 d'une rangée est également constant. Dans le cas de parois planes 6a, 6b, 6d, 6e (voir figure 2a) un récepteur d'éléments 10' d'une rangée est respectivement orienté, contrairement aux autres récepteurs d'éléments 10 de la même rangée, trans- versalement par rapport à la direction R de la rangée qui est à peu près parallèle à la direction d'écoulement S, et en se situant sur un axe de grille commun G'. Du fait que les rainures 16 des récepteurs d'éléments 10' sont orien- tées transversalement par rapport à la direction R, donc dans la direction de l'axe de grille G', les éléments de fixation 11' couplés à ces récepteurs d'éléments 10' sont guidés de façon à pouvoir se déplacer transversalement par rapport à la direction R, ce dont il résulte une fixation en position de la paroi 6 de la tuyère par rapport à la structure porteuse 4' en direction R. La distance C2 entre les côtés parallèles de deux griffes de maintien 15' des récepteurs d'éléments 10' orientés transversalement, est choisie de façon que les éléments de fixation 11' mobiles longitudinalement dans ces griffes, soient guidés essentiellement sans jeu latéral. Contrairement aux parois planes 6a, 6b, 6d et 6e de la tuyère, dans le cas de la paroi coudée 6c, les cap- teurs d'éléments 10' orientés transversalement pour la fixation de la paroi 6c dans la direction R sont supprimés car, du fait de la forme en V de la paroi 6c et du couplage avec la structure porteuse 4' par l'intermédiaire des élé- ments de fixation 11, une fixation dans la direction des rangées est obtenue dans la zone de la courbure comme cela est visible. sur la figure 3b. Une libre possibilité de di- latation de la paroi 6c dans la direction R en partant de la courbure reste toutefois maintenue du fait du couplage coulissant longitudinalement. Pour la fixation de la paroi 6 de la tuyère par rapport à la structure porteuse 4' transversalement à la direction R, un certain nombre d'éléments de fixation 11' sont guidés de façon à pouvoir se déplacer longitudinale- ment dans les récepteurs d'éléments 10' avec un jeu latéral minimal. Les récepteurs d'éléments' 10' correspondants sont disposés le long d'un axe de grille commun G" qui s'étend dans la direction R, près du bord pour les parois planes 6a, 6b, 6d, 6e et à peu près dans le milieu pour la paroi coudée 6c (voir figures 2b et 3a). De façon correspondante, l'intervalle C2 entre les côtés parallèles de deux griffes de maintien 15" de ces récepteurs d'éléments 10" est, comme déjà dans le cas des récepteurs d'éléments 10' orientés transversalement, plus petit que la distance Cl des côtés dans les autres récepteurs d'éléments 10 qui sont guidés avec un jeu latéral. Les degrés de mobilité résultant de ce jeu latéral des éléments de fixation 11 par rapport aux ré- cepteurs d'éléments 10 sont représentés symboliquement par les flèches P2 sur les figures 3a et 4a qui montrent res- pectivement une coupe transversale par rapport à la direc- tion R. Sur les figures 5a et 5b, les flèches Pi et P2 indiquent respectivement les degrés de liberté pour la com- pensation des dilatations sur la paroi plane 6a ou bien sur la paroi coudée 6c, degrés de liberté qui résultent des fixations précédemment décrites des parois 6 sur la base de l'orientation des récepteurs d'éléments 10, 10', 10" trans- versalement ou parallèlement à la direction R, et du fait de l'importance du jeu latéral. Les flèches Pi donnent une possibilité de dilatation pour la paroi 6 du fait de la 12 2705736 possibilité de coulissement longitudinal des éléments de fixation 11, tandis que les flèches P2 donnent une possibi- lité de dilatation du fait du jeu latéral des éléments de fixation 1il dans les récepteurs d'éléments 10. Il en va de même pour les flèches Pl et P2 sur les figures 3a, 3b, 4a et 4b. R E V E N D I CATIONS 1) Tuyère de poussée pour réacteur avec au moins une paroi de tuyère côté gaz chauds qui est reliée à une structure porteuse par l'intermédiaire d'une pluralité d'éléments de fixation répartis dans plan de la paroi, tuyère de poussée caractérisée en ce que les éléments de fixation (11) sont disposés à la façon d'un quadrillage en rangées espacées les unes des autres entre la structure porteuse (4') et la paroi (6) de la tuyère, et sont assem- blés avec la paroi (6) de la tuyère respectivement dans un récepteur d'éléments (10), tandis qu'au moins une majorité des éléments de fixation (11) est maintenue dans le récep- teur d'éléments (10) en étant susceptible de coulisser lon- gitudinalement dans la direction R des rangées par rapport à la paroi (6) de la tuyère, avec du jeu transversalement à la direction des rangées, et la paroi (6) de la tuyère est fixée par emplacements vis-à- vis de la structure porteuse (4'), contre un déplacement transversal par rapport à la direction (R) des rangées ou dans cette direction. 2) Tuyère de poussée selon la revendication 1, caractérisée en ce que la fixation de la paroi de la tuyère transversalement par rapport à la direction (R) des ran- gées, s'effectue par un certain nombre d'éléments de fixa- tion (11) d'une rangée, susceptibles de coulisser longitudinalement et qui, transversalement par rapport à la direction (R) des rangées, sont guidés essentiellement sans jeu. 3) Tuyère de poussée selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que la fixation de la paroi (6) de la tuyère dans la direction (R) des ran- gées, s'effectue grâce à un certain nombre d'éléments de fixation (11) pouvant coulisser transversalement par rap- port à la direction (R) des rangées et qui sont maintenus essentiellement sans jeu dans la direction (R) des rangées. 14 2705736 4) Tuyère de poussée selon la revendication 3, caractérisée en ce que les éléments de fixation (11) sus- ceptibles de coulisser transversalement par rapport à la direction (R) des rangées se situent sur un axe de grille (G') s'étendant transversalement par rapport à la direction (R) des rangées. ) Tuyère de poussée selon l'une des précédentes revendications, caractérisée en ce que les rangées sont es- pacées parallèlement les unes des autres. 6) Tuyère de poussée selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que la paroi (6) de la tuyère est coudée en forme de V et en ce que les élé- ments de fixation (11) sont prévus dans des zones de paroi des deux côtés de la courbure, tandis que la direction (R) des rangées est perpendiculaire à l'axe de courbure (A). 7) Tuyère de poussée selon l'une des précédentes revendications, caractérisée en ce que la direction (R) des rangées est orientée à peu près dans la direction d'écoule- ment (S) de la tuyère de poussée (1). 8) Tuyère de poussée selon l'une des précédentes revendications, caractérisée en ce que les points de fixa- tion de la paroi (1) de la tuyère sont prévus dans la di- rection des rangées à peu près dans la zone de la section transversale (Q) de la tuyère. 9) Tuyère de poussée selon l'une des précédentes revendications, caractérisée en ce que les rangées sont es- pacées uniformément les unes des autres. ) Tuyère de poussée selon l'une des précédentes revendications, caractérisée en ce que les éléments de fixation (11) sont espacés uniformément les uns des autres dans la direction (R) des rangées. 11) Tuyère de poussée selon l'une des précédentes revendications, caractérisée en ce que les récepteurs d'éléments (10) sont rapportés côté structure porteuse sur 2705736 la paroi (6) de la tuyère aux points d'intersection d'un quadrillage imaginaire uniforme. 12) Tuyère de poussée selon l'une des précédentes revendications, caractérisée en ce que de fixation les élé- ments de fixation (11) sont vissés avec la structure por- *teuse (4'). 13) Tuyère de poussée selon l'une des précédentes revendications, caractérisée en ce que les récepteurs d'éléments (10) sont respectivement constitués de deux griffes de maintien (15) disposées parallèlement l'une à l'autre, et qui entourent une tête (13) en forme de champi- gnon des éléments de fixation (11) en formant un ajustement coulissant. 14) Tuyère de poussée selon l'une des précédentes revendications, caractérisée en ce que les récepteurs d'éléments (10) sont formés sur la paroi (6) de la tuyère. ) Tuyère de poussée selon l'une des précédentes revendications, caractérisée en ce que les éléments de fixation (11) sont formés à partir d'une plaque de fixation (12) reliée à la structure de base (4') et comportant du côté de la paroi de la tuyère, des éléments(11) en saillie pour permettre l'assemblage avec la paroi (6) de la tuyère. 16) Tuyère de poussée selon l'une des précédentes revendications, caractérisée en ce que la structure por- teuse (4') constitue le carter (4) de la tuyère.