Brevet FR2698409A1 — publié le 19940527

y/4 Tuyère d'éjection de turboréacteur La présente invention concerne une tuyère d'éjection de turboréacteur, à géométrie variable, comportant une couronne extérieure de volets et une couronne intérieure de volets, la couronne intérieure de volets comprenant deux groupes de volets dans le prolongement les uns des autres et articulés à leur jonction, les volets amont de la couronne intérieure étant en outre articulés à leur extrémité antérieure sur la partie terminale fixe du turboréacteur et les volets de la couronne extérieure étant articulés à leur extrémité antérieure sur une structure porteuse de capotage radialement distante de ladite partie terminale fixe, ladite couronne extérieure et chacun desdits groupes de volets comportant une série de volets commandés et une série de volets suiveurs intercalés. Certains avions équipés de turboréacteurs doivent assurer des missions dans des conditions de vol subsonique ou supersonique Dans ce cas, les turbomachines sont dotées d'un système de réchauffe et d'une tuyère à section variable, pouvant recevoir une conformation convergente-convergente convenant aux écoulements subsoniques et une conformation convergente- divergente convenant aux écoulements supersoniques, la section minimum de la tuyère étant en outre réglable en fonction du régime du moteur: section réduite en régime normal et section élargie pour la postcombustion. Le brevet francais 1 225 736, par exemple, décrit une tuyère de ce type. Les volets articulés amont et les volets articulés aval ont des commandes séparées qui comportent des vérins hydrauliques déplaçant axialement des anneaux reliés aux volets par des biellettes ou des systèmes articulés, les volets de la couronne extérieure étant reliés aux volets aval par des biellettes Ce système nécessite deux boucles de régulation Cette tuyère permet d'obtenir un contrôle indépendant de chaque groupe de volets de la couronne intérieure, mais elle est d'une structure complexe et relativement lourde. Le document FR-A-2 602 274 concerne également un tel type de tuyère. Les volets commandés aval sont actionnés par des tiges de vérin et ils sont reliés aux volets commandés de la couronne extérieure par des biellettes, les volets de la couronne extérieure étant eux-mêmes reliés aux volets commandés aval par des biellettes Ici les positions des trois jeux de volets sont définies par la longueur des tiges de vérin De plus, chaque volet commandé d'un groupe est relié à la couronne extérieure par deux biellettes afin d'assurer la synchronisation et lasservissement en cas de défaillance de un ou plusieurs vérins, ce qui se traduit par une augmentation des masses. La tuyère selon linvention est remarquable: en ce que les volets commandés amont sont reliés par des premières biellettes à un anneau de commande mobile axialement sous l'action d'une pluralité de premiers organes de commande interposés entre la partie fixe du turboréacteur et ledit anneau de commande, en ce que les volets commandés aval sont reliés par des deuxièmes biellettes à la structure porteuse de capotage et, lo en ce que les volets commandés de la couronne extérieure sont reliés à l'anneau de commande par des moyens par came. De préférence, la structure porteuse est montée mobile axialement entre une position avant et une position arrière et est commandée par une pluralité de deuxièmes organes de commande interposés entre la partie fixe du turboréacteur et ladite structure porteuse. Dans la conformation convergente-divergente de la couronne intérieure, les variations de la géométrie de la tuyère sont obtenues uniquement par l'action des premiers organes de commande, la structure porteuse étant maintenue fixe dans la position avant. Dans la conformation convergente-convergente de la couronne intérieure, les variations de la géométrie de la tuyère sont obtenues par l'action simultanée des premiers et deuxièmes organes de commande. Les moyens par came sont conformés de telle manière que dans la conformation convergente-convergente, la couronne extérieure se déplace en translation avec la structure porteuse. Grâce à cette structure, les deux modes de fonctionnement peuvent être obtenus avec une seule boucle de régulation En mode convergent- divergent, seuls les premiers organes de commande sont actionnés En mode convergent- divergent, les premiers et deuxièmes organes de commande sont mis en oeuvre en même temps par les mêmes moyens de régulation La présence de l'anneau de commande et de la structure porteuse mobile permet la synchronisation en cas de défaillance de un ou plusieurs organes de commande Les moyens par came permettent de modifier l'angle du cône extérieur en fonction de l'angle des volets articulés amont selon une loi prédéterminée. La conformation convergente-divergente permet un gain de poussée, lorsque le dispositif de réchauffe est en fonct 'r e 7 rnent ou lorsque le rapport des pressions qui règnent au droit des volets amont et à l'extérieur de la tuyère est suffisamment, par exemple, supérieur à 4 Ce mode de fonctionnement peut également être utilisé si le rapport des pressions précédentes est compris entre 1 et 4, mais, dans cette plage de rapport de pressions, il est alors préférable d'être dans la conformation convergente-convergente car le niveau des performances atteint est le plus souvent meilleur. Dans la conformation convergente-convergente, la tuyère est fermée au maximum et les groupes de volets forment deux cônes convergents successifs. Ce second mode de fonctionnement est avantageux lorsque la turbomachine fonctionne à un régime intermédiaire entre le ralenti et le plein gaz sec On améliore la poussée ou la consommation spécifique par rapport à une turbomachine qui ne possède que le mode de fonctionnement convergent- divergent. Enfin, on réduit la section géométrique nécessaire pour permettre le passage d'un débit donné sous des conditions données de pression et de température du flux de gaz traversant cette tuyère. Cette situation a deux conséquences: les variations de pression et de température dans le jet sont atténuées dans la zone située immédiatement en aval de la tuyère, le masquage du système de réchauffe par la tuyère est amélioré quand on observe le moteur en fonctionnement. Ces deux effets contribuent efficacement à réduire les signatures dans les domaines radar et infrarouge de la turbomachine sur laquelle la tuyère est installée. Dans ce mode, quand on passe du cas de fonctionnement o la tuyère est fermée au maximum à celui o elle est ouverte au maximum, les séries de volets forment deux cônes qui se déforment de façon continue entre les positions: convergent/convergent en tuyère fermée, convergent/divergent en tuyère ouverte. Dans ce mode de fonctionnement, quand la tuyère est fermée au maximum, les volets froids sont en position reculée et fermée au maximum, ce qui optimise l'écoulement aérodynamique externe autour de la tuyère et le masquage des volets chauds, ce qui réduit la signature infrarouge. Enfin, la tuyère offre une variation continue de la section de passage offerte aux gaz entre le plein fermé et plein ouvert Cest une propriété importante qui permet un pilotage aisé de la turbomachine dans tout son domaine d'application. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mieux compris à la lecture qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente une demi-vue schématique en coupe par un premier plan passant par l'axe de rotation de la turbomachine d'une tuyère 1 o d'éjection axisymétrique conforme à l'invention, la figure 2 représente une demi- vue schématique en coupe par un deuxième plan passant par l'axe de rotation de la turbomachine et décalé angulairement par rapport au premier plan de la tuyère d'éjection de la figure 1, la figure 3 représente schématiquement la cinématique des volets dans les différentes configurations, la figure 4 montre une variante de réalisation. La tuyère d'éjection axisymétrique selon la présente invention, qui est illustrée schématiquement et partiellement sur les figures 1 et 2, comporte une structure principale de tuyère 2, de forme annulaire et alvéolaire, entourant une virole de tuyère 3 disposée dans le prolongement de la paroi annulaire extérieure délimitant la veine des gaz en sortie de turbine La structure principale 2 et la virole 3 forment la partie terminale fixe du turboréacteur Une structure porteuse de capotage 4, de forme annulaire et reliée à la structure principale 2, est située à distance et à l'extérieur de cette dernière Une couronne extérieure de volets, dits volets froids 5, est disposée en aval de la structure porteuse 4 Ces volets froids 5 sont articulés à leur extrémité antérieure sur la structure porteuse 4 au moyen des axes 6 Une couronne intérieure comprenant deux groupes de volets 7 et 8, dans le prolongement les uns des autres et articulés à leur jonction est disposée en aval de la virole 3 Les volets amont 7 sont articulés sur les axes 9 qui sont supportés par la virole 3 et ils sont liés aux volets aval 8 par les axes 10 La couronne extérieure de volets froids 5, le groupe de volets amont 7 et le groupe de volets aval 8 comportent, de manière connue, une série de volets commandés et une série de volets suiveurs intercalés La description de ces volets suiveurs n'est pas nécessaire pour la compréhension de linvention Les références 5, 7 et 8 concernent donc les volets commandés. Un anneau de commande 11 est disposé dans l'espace annulaire délimité par la couronne intérieure et la couronne extérieure Cet anneau de commande 11 est actionné parallèlement à laxe de la tuyère par une pluralité d'organes de commande 12 interposés entre la partie fixe du turboréacteur et l'anneau de commande 11 Ces organes de commande 12 peuvent être des vérins comportant un cylindre et une tige de vérin reliée à l'anneau de commande par l'articulation 13. Des premières biellettes 14 relient respectivement tous les volets commandés amont 7 à Panneau de commande 11 Les liaisons sont réalisées par des articulations 15 avec lanneau de commande et par des articulations 16 avec une nervure 17 du volet commandé amont 7. Les volets commandés aval 8 sont reliés par des deuxièmes biellettes 18 à la structure porteuse de capotage 4 Chaque biellette 18 est articulée sur l'extrémité aval 19 d'un volet commandé aval 8 et sur une articulation 20 montée sur la structure porteuse 4. Les volets commandés 5 de la couronne extérieure sont reliés à Panneau de commande 11 à l'aide de moyens par came 21 A cet effet, des bras 22 s'étendent axialement vers l'arrière à partir de l'anneau de commande 11. Chaque bras 22 comporte à son extrémité une articulation 23 supportant un galet 24 qui coopère avec des profils de guidage 25, 26 prévus sur une nervure interne 27 du volet 5 correspondant. Les figures 1 et 2 montrent la couronne intérieure en position convergente-divergente La tuyère présentant une grande section, lanneau de commande 11 se trouve dans un plan situé à l'arrière du plan radial passant par les articulations 16 Les premières biellettes 14 sont dans une position légèrement inclinée par rapport à lhorizontale Les deuxièmes biellettes 18 sont positionnéées sensiblement à l'horizontale Les tiges de vérin 28 sont dans leur position d'extension maximum Lorsque les tiges de vérin 28 se rétractent, Panneau de commande 11 se déplace vers Pavant, les premières biellettes 14 entraînent en rotation autour de larticulation 16 les volets commandés amont 7, ce qui entraîne une diminution de la section de la tuyère Les volets commandés aval 8 suivent le mouvement des volets commandés amont 7, tout en restant sensiblement parallèles à eux-mêmes La couronne intérieure peut prendre une pluralité de conformations convergente-divergente, entre une position d'ouverture maximum MA représentée sur la figure 1 et une position d'ouverture minimum MI représentée en tiretés sur la figure 1, en fonction de la position des premiers organes de commande 12. Quand lanneau de commande 11 se déplace vers l'avant, les galets 24 sont en appui sur le profil de guidage 25, et cette action provoque la fermeture des volets froids 5 par rotation de ceux-ci autour de l'articulation 20 solidaire de la structure porteuse de capotage 4. Sur la figure 1, la référence 30 représente des deuxièmes organes de commande destinés à commander la translation axiale de la structure porteuse de capotage 4 afin de passer de la configuration convergentedivergente décrite ci-dessus à une configuration convergente-convergente. Les organes de commande 30 déplacent la structure porteuse 4 vers l'arrière de la tuyère, depuis une position extrême avant jusqu'à une position extrême arrière La référence 18 ' représente la position de la deuxième biellette 18 dans la position extrême arrière. La structure porteuse de capotage 4 est guidée axialement par des galets radiaux 31 portés par la structure principale 2 de la tuyère Ces galets 31 roulent dans des rails 32 qui s'étendent vers l'avant à partir de la structure porteuse 4. Des bras 33 relient les rails 32 aux extrémités mobiles 34 des deuxièmes organes de commande 30. Durant le déplacement vers l'arrière de la structure porteuse 4, celle- ci entraîne vers l'arrière la couronne extérieure de volets froids 5 Les profils de guidage 25 et 26 des moyens par came 21 sont conformés de telle manière que le déplacement vers larrière de la couronne externe de volets froids 5 se fasse par translation Durant ce déplacement, les volets froids 5 sont en position fermée, et les parties des profils de guidage 25 et 26 coopérant avec les galets 24 sont alors parallèles à laxe de la turbomachine. Les organes de commande 12 et 30 peuvent être des vérins pneumatiques, hydrauliques ou à vis ou tous autres dispositifs capables de fournir un effort réversible sur l'anneau de commande 11 et la structure porteuse de capotage 4. Il est possible d'obtenir les deux modes de fonctionnement avec une seule boucle de régulation de la position de la tige de vérin des premiers organes de commande 12 couplée avec une commande en tout ou rien qui active ou désactive la transmission aux deuxièmes organes de commande 30 de lordre issu de la boucle de régulation des premiers organes de commande 12. Si lon fonctionne en mode convergent-divergent, la structure porteuse de capotage 4 est fixe, en position "vers l'avant du moteur", c'est-à-dire que les tiges des deuxièmes organes de commande 30 sont rentrées Les volets aval 8 forment un divergent. Seuls les premiers organes de contrôle 12 fonctionnent et agissent sur l'anneau de commande 11 et les premières biellettes 14 pour régler la section de tuyère par les volets amont 7. Si l'on fonctionne en mode convergent-convergent, la structure porteuse de capotage 4 n'est plus fixe et les articulations 20 suivent les mêmes mouvements Les sens de mouvements simultanés de la structure porteuse 4 et de l'anneau de commande 11 sont inversés afin d'éviter le blocage des volets 7 et 8 de la couronne intérieure autour de l'articulation 10. L'ordre de déplacement transmis aux deuxièmes organes de commande 30 est l'ordre transmis aux premiers organes de commande 12 multiplié par un facteur K nécessairement négatif Cette commande en tout ou rien avec facteur multiplicatif peut être réalisée par des moyens divers (hydrauliques ou électroniques par exemple). Cette solution est plus économique qu'une commande obtenue avec deux boucles de régulation, une par groupe d'organes de commande. La figure 3 montre en traits pleins la position des volets 5, 7 et 8 lorsque la tuyère est dans la configuration convergente-divergente et a une ouverture maximum, lanneau de commande ( 11) étant en A Lorsque l'anneau de commande se déplace de A vers B, les volets prennent les positions représentées en tiretés par les références 5 ', 7 ' et 8 ' et la tuyère a alors une section minimum en configuration convergente-divergente. Dans la configuration convergente-divergente, Panneau de commande 11 se déplace de B vers C et la structure porteuse 4 se déplace en même temps de D vers E La section minimum de la tuyère est obtenue lorsque les volets prennent les positions référencées 5 ", 7 " et 8 " Lorsque l'anneau de commande 11 est en position B, les premières biellettes 14 sont sensiblement radiales. La figure 4 montre une variante de réalisation dans laquelle la structure porteuse de capotage 4 est fixe, et les deuxièmes biellettes 18 sont remplacées par des troisièmes organes de commande 40 qui sont commandés en tout ou rien pour passer de la configuration convergente-divergente à la configuration convergente-convergente. REVENDICATIONS 1 Tuyère d'éjection de turboréacteur, à géométrie variable, comportant une couronne extérieure de volets ( 5) et une couronne intérieure de volets, la couronne intérieure de volets comprenant deux groupes de volets ( 7, 8) dans le prolongement les uns des autres et articulés à leur jonction, les volets amont ( 7) de la couronne intérieure étant en outre articulés à leur extrémité antérieure sur la partie terminale fixe ( 2, 3) du turboréacteur et les volets ( 5) de la couronne extérieure étant articulés à leur extrémité antérieure sur une structure porteuse de capotage ( 4) radialement distante de ladite partie terminale fixe ( 2, 3), ladite couronne extérieure et chacun desdits groupes de volets comportant une série de volets commandés et une série de volets suiveurs intercalés, caractérisée en ce que les volets commandés amont ( 7) sont reliés par des premières biellettes ( 14) à un anneau de commande ( 11) mobile axialement sous l'action d'une pluralité de premiers organes de commande ( 12) interposés entre la partie fixe ( 2, 3) du turboréacteur et ledit anneau de commandes ( 11), en ce que les volets commandés aval ( 8) sont reliés par des deuxièmes biellettes ( 18) à la structure porteuse de capotage ( 4), et en ce que les volets commandés ( 5) de la couronne extérieure sont reliés à l'anneau de commande ( 11) par des moyens par came ( 21). 2 Tuyère selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure porteuse de capotage ( 4) est montée mobile axialement entre une position avant (D) et une position arrière (E) et est commandée par une pluralité de deuxièmes organes de commande ( 30) interposés entre la partie fixe ( 2, 3) du turboréacteur et ladite structure porteuse ( 4). 3 Tuyère selon la revendication 2, caractérisée en ce que, dans la conformation convergente-divergente de la couronne intérieure, les variations de la géométrie de ladite tuyère sont obtenues uniquement par l'action des premiers organes de commande ( 12), la structure porteuse de capotage ( 4) étant maintenue fixe dans la position avant (D). 4 Tuyère selon la revendication 3, caractérisée en ce que, dans la conformation convergente-convergente de la couronne intérieure, les variations de la géométrie de ladite tuyère sont obtenues par l'action simultanée des premiers et deuxièmes organes de commande ( 12, 30). 9 2698409 Tuyère selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens par came ( 21) sont conformés de telle manière que dans la conformation convergente-convergente, la couronne extérieure se déplace en translation avec la structure porteuse de capotage ( 4).