Brevet FR2858021A1 — publié le 20050128

TUYERE DE MOTEUR A TURBINE La présente invention a été réalisée avec le soutien du gouvernement des Etats-Unis dans le cadre du 5 contrat N00019-02-C-3003 accordé par la U.S. Navy. Le gouvernement des Etats-Unis a certains droits sur la présente invention. La présente invention concerne des moteurs à turbine. Plus particulièrement, l'invention concerne des 10 tuyères d'échappement de moteur à turbine à col variable. Il existe un domaine bien développé concernant les tuyères d'échappement de moteur à turbine. Plusieurs configurations de tuyère mettent en oeuvre des paires de volets mutuellement articulés; un volet amont 15 convergent; et un volet aval divergent. Les tuyères asymétriques peuvent comprendre un agencement circulaire de telles paires de volets. Des exemples de tuyères sont décrits dans les brevets U.S. 3 730 436, 5 797 544 et 6 398 129. En conséquence, un aspect de l'invention concerne un sous-ensemble de tuyère de moteur à turbine. Un volet aval est couplé de manière pivotante à un volet amont pour rotation relative autour d'un axe d'articulation. Une liaison de vérin est couplée au volet aval le long de 25. la moitié avant de celui-ci pour actionner les volets amont et aval entre une pluralité d'états d'aire de col. Dans différentes mises en oeuvre, un volet externe peut être couplé de manière pivotante au volet aval et à une structure environnante. L'étendue entre les 30 emplacements respectifs de couplage au volet aval et la structure environnante peut être extensible et rétractable en réponse aux forces aérodynamiques. Des moyens peuvent restreindre la plage d'extensibilité du volet externe. Les moyens peuvent comprendre une liaison secondaire ayant un premier emplacement de couplage pivotant à la structure environnante et un second 5 emplacement de couplage pivotant au volet divergent. Le second emplacement de couplage pivotant peut être intermédiaire entre l'emplacement de couplage du volet aval au volet externe et l'emplacement de couplage de la liaison de vérin au volet aval. La liaison secondaire 10 peut avoir une plage de flottement libre limitée par rapport au volet aval. Un autre aspect de l'invention concerne une tuyère de moteur à turbine ayant une pluralité de sous-ensembles de volet couplés à une structure statique. Les sous15 ensembles comprennent chacun un volet amont couplé de manière pivotante à la structure statique pour rotation relative autour d'un axe sensiblement fixe par rapport à la structure statique. Chaque sous-ensemble comprend en outre un volet aval couplé de manière pivotante au volet 20 amont associé pour rotation relative autour d'un axe d'articulation. Des moyens actionnent l'articulation des volets amont et aval dans une plage d'aires de col tout en réduisant au minimum les changements d'aire de col induits par un changement de mode à un point de 25 conception donné. Dans différentes mises en oeuvre, les sousensembles peuvent être agencés de manière asymétrique autour d'un axe de moteur. L'articulation peut être simultanée pour chacun des sous-ensembles. Chacun des 30 sous- ensembles peut comprendre en outre un volet externe couplé de manière pivotante au volet aval associé. Un autre aspect de l'invention concerne un moyen pour le rattrapage d'un moteur à turbine ou la reconfiguration d'une configuration de moteur à turbine qui a ou avait précédemment un premier sous-ensemble de 5 tuyère ayant un volet convergent, un volet divergent, un volet externe et une liaison d'actionnement couplée au volet convergent. Un second sousensemble est installé ou configuré. Le second sous-ensemble a un second volet convergent, un second volet divergent et une seconde 10 liaison d'actionnement, partageant facultativement un ou plusieurs composants avec la liaison d'actionnement du premier sous-ensemble de tuyère. La seconde liaison d'actionnement est couplée au second volet divergent de manière à permettre une articulation de changement de 15 mode d'origine aérodynamique du second volet divergent pour faire tourner le second volet divergent autour d'un centre de rotation instantané non fixe tout en faisant tourner simultanément le second volet divergent par rapport au second volet convergent autour d'un axe 20 d'articulation non fixe. Dans différentes mises en oeuvre, le second sousensemble peut produire un col aérodynamique qui a une aire de col qui est moins sensible aux variations associées à ladite articulation de changement de mode que 25 l'aire du col du premier sous-ensemble de tuyère. Le procédé peut entraîner le remplacement d'un agencement circonférentiel de tels premiers sous-ensembles de tuyère par un agencement circonférentiel de tels seconds sousensembles de tuyère. Les détails d'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention sont décrits sur les dessins annexés et la description ci-dessous. Les autres caractéristiques, objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description et des dessins, et des revendications. La figure 1 est vue en coupe longitudinale d'une tuyère de moteur à turbine dans un premier état. La figure 2 est une vue de la tuyère de la figure 1 dans un deuxième état. La figure 3 est une vue de la tuyère de la figure 1 dans un troisième état. La figure 4 est une vue de la tuyère de la figure 1 dans un quatrième état. Des numéros de référence et désignations similaires dans les différents dessins désignent des éléments similaires. La figure 1 représente une tuyère de moteur à turbine 20. La tuyère exemplaire comprend un agencement circulaire asymétrique de paires de volets convergent/divergent autour de l'axe ou ligne centrale de tuyère 500. Une paire de volets donnée comprend un volet 20 convergent 22 s'étendant en amont/aval d'une extrémité amont 23 à une extrémité aval 24 et un volet divergent 26 s'étendant en aval/arrière d'une extrémité amont 27 à une extrémité aval 28. Les volets sont articulés l'un par rapport à l'autre par un mécanisme d'articulation 30 pour 25 mouvement relatif autour d'un axe d'articulation 502 à proximité de l'extrémité aval du volet convergent et de l'extrémité amont du volet divergent. La surface intérieure du volet divergent 26 a une partie de surface longitudinalement convexe 40 près de son extrémité amont 30 pour former un col aérodynamique (c'est-à-dire, l'emplacement de la plus petite section transversale de voie de passage) de la tuyère de rayon de col instantané RT et une partie sensiblement rectiligne longitudinalement 42 s'étendant vers l'arrière dans la direction de l'extrémité aval pour former une sortie d'échappement de rayon de sortie instantané R0. Pour 5 chaque paire de volets convergent/divergent, la tuyère comprend en outre un volet externe 50, dont la surface extérieure 52 forme le contour extérieur de la tuyère exposée à l'écoulement d'air externe passant autour du fuselage d'un avion. La figure 1 représente en outre une structure d'anneau statique de tuyère 60 pour monter la tuyère sur le moteur, un fuselage d'avion ou une autre structure environnante. A proximité de l'extrémité amont 23 du volet convergent 22, une structure d'articulation couple 15 de manière pivotante le volet convergent à la structure d'anneau statique 60 pour rotation relative autour d'un axe transversal fixe 503. Un anneau de synchronisation 62 est monté entre les parties arrière intérieure et extérieure 64 et 66 de la structure d'anneau statique et 20 peut être déplacé alternativement longitudinalement par des vérins (par exemple, des vérins pneumatiques ou hydrauliques, non représentés). Dans l'état de la figure 1, l'anneau de synchronisation est à la position la plus en avant/la plus en amont. L'anneau de 25 synchronisation est couplé à chaque paire de volets par une liaison associée 70. Chaque liaison 70 comprend un levier coudé central 72 couplé de manière pivotante par un mécanisme d'articulation à un point de masse de levier coudé 74 au bord arrière de la partie intérieure de 30 structure d'anneau statique 64 pour rotation relative autour d'un axe transversal fixe 504. Pour conduire la rotation du levier coudé autour de l'axe 504, le levier coudé est couplé à l'anneau de synchronisation par une liaison en H associée 76. L'extrémité avant de la liaison en H est couplée de manière pivotante à l'anneau de synchronisation par un mécanisme d'articulation pour 5 rotation relative autour d'un axe transversal 506 qui se déplace longitudinalement avec l'anneau de synchronisation. L'extrémité arrière de la liaison en H est couplée de manière pivotante au levier coudé par un mécanisme d'articulation pour rotation relative autour 10 d'un axe transversal 508 qui se déplace le long d'un segment de trajet circulaire centré autour de l'axe 504 en réponse à une translation linéaire de l'axe 506. Par conséquent, comme décrit sur la figure 1, un déplacement vers l'arrière de l'anneau de synchronisation provoque 15 une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre du levier coudé autour de l'axe 504. La rotation du levier coudé est transférée à l'articulation de la paire de volets associée par une paire de liaisons de transfert associées 78. Les extrémités avant/amont de chaque paire 20 de liaisons de transfert sont couplées de manière pivotante au levier coudé pour rotation relative autour d'un axe transversal 510 qui se déplace également le long d'un segment de trajet circulaire centré autour de l'axe 504 en réponse à la translation linéaire de l'axe 506. 25 Les extrémités arrière/aval des liaisons de transfert sont couplées de manière pivotante au volet divergent 26 pour rotation relative autour d'un axe transversal 512. Comme décrit ci-dessous, dans le mode de réalisation exemplaire, le mouvement de l'axe 512 n'est pas 30 entièrement commandé par la rotation du levier coudé et la translation d'anneau statique associée. Au lieu de cela, il peut être influencé par d'autres forces, à savoir des forces aérodynamiques dues aux pressions relatives à l'intérieur et à l'extérieur de la tuyère. Dans les modes de réalisation exemplaires, l'axe 512 est situé à l'arrière de l'axe 502 et le long de la moitié 5 avant de l'étendue entre les extrémités amont et aval du volet divergent. Plus précisément, il est situé le long d'un tiers avant et, dans le mode de réalisation décrit, approximativement entre les premiers 5 % et 15 % environ de ladite étendue. Dans le mode de réalisation exemplaire, le volet externe 50 a une extrémité avant 90 couplée de manière pivotante par un mécanisme d'articulation à la partie extérieure de structure statique 66 pour rotation relative autour d'un axe transversal fixe 520. A 15 proximité de son extrémité aval 92, le volet externe est couplé de manière pivotante par un mécanisme d'articulation au volet divergent 26 (légèrement plus à l'avant de son extrémité aval 28) pour rotation relative autour d'un axe transversal 522. Le volet externe est 20 configuré de telle manière que l'étendue entre les axes 520 et 522 soit extensible et rétractable, par exemple, à l'aide d'une liaison amont 94 montée de manière télescopique sur une partie de corps principal 96 du volet externe et couplant le volet externe à la structure 25 d'anneau statique. L'extensibilité/rétractabilité peut avoir une plage limitée. Comme décrit de manière plus détaillée ci-dessous, une limitation supplémentaire de cette plage peut être souhaitable. A cette fin, une liaison secondaire ou support de mode 100 est disposé, 30 ayant une partie d'extrémité avant 102 couplée de manière pivotante à la structure d'anneau statique pour rotation relative autour d'un axe transversal fixe 524 qui peut être proche de l'axe 520. Si les axes 520 et 524 sont coïncidents, il peut être avantageux de percer un trou à travers tous les points de pivotement pour diminuer le coût. Cependant, si la largeur du volet externe 50 est 5 telle que la partie de corps principal 96 sur chaque côté circonférentiel du volet soit sensiblement espacée de manière circonférentielle du support de mode, il peut être avantageux de localiser l'axe 520 relativement plus près de l'axe du moteur que l'axe 524 de manière à 10 maintenir un bon avantage mécanique pour le support de mode. Une partie d'extrémité arrière 104 du support de mode est couplée de manière pivotante au volet divergent 26 pour rotation relative autour d'un axe 526 fixe par 15 rapport au support de mode mais flottant par rapport au volet divergent avec une plage de mouvement limitée. La plage de mouvement exemplaire est obtenue à l'aide d'une paire de supports de montage 110 à un emplacement intermédiaire sur le volet divergent, ayant chacun une 20 fente 112 recevant un curseur ovale 113 sur un arbre pivotant 114 fixé le long de l'axe 526 par rapport au support de mode. Le curseur et l'arbre sont libres de mouvement le long de la fente entre les premières et seconde extrémités 116 et 118 de celle-ci. Un emplacement 25 intermédiaire exemplaire est approximativement dans le tiers central de la longueur du volet divergent et dans le tiers central de l'étendue entre les axes 512 et 522. En fonctionnement, la position de l'anneau de synchronisation 62 détermine un rayon de col nominal RT 30 et une aire de col associée (c'est-à-dire, un état de rétrécissement). Dans une position d'anneau de synchronisation donnée, les forces aérodynamiques peuvent ensuite déterminer le mode qui est associé de manière nominale à l'angle de surface intérieure de volet divergent 0. La figure 1 représente l'anneau de synchronisation à l'extrémité avant de sa plage de 5 mouvement, établissant ainsi l'aire de col nominale maximale. La figure 1 représente en outre un état de mode haut dans lequel les forces aérodynamiques placent le volet divergent dans son état de 0 maximal, le curseur 113 étant en butée contre l'extrémité de fente 116. Dans 10 un état modifié, l'équilibre des forces entre la combinaison du volet externe 50 et du volet divergent 26 peut produire un autre 0. Par exemple, la figure 2 représente un état de mode bas a, d'aire maximale, dans lequel le curseur 113 est sensiblement en butée contre 15 l'extrémité de fente 118. Dans une autre configuration, le fonctionnement du support de mode est inversé (c'està-dire que l'agencement de curseur est à la connexion du support avec la structure statique plutôt qu'à sa connexion avec le volet divergent). Durant la transition entre les modes haut et bas pour une aire de col nominale, il se produit un léger mouvement des axes 502 et 512. Le centre de rotation instantané du volet divergent est situé le long de l'intersection 530 d'une paire de plans respectivement 25 définis par les axes 503 et 502 d'une part et 510 et 512 d'autre part. Cette intersection étant située à ou à proximité de la surface de col de tuyère, les changements d'aire de col suivant le mode sont limitées. Dans un mode de réalisation exemplaire, la variation d'aire de col due 30 au changement de mode est nettement inférieure à 2 % pour toutes les aires de col nominales, la variation étant maximale dans l'état d'aire de col minimale. Il peut être avantageux de configurer une mise en oeuvre telle que la variation minimale d'aire de col due au changement de mode se produise à un point particulièrement sensible dans le domaine de vol pour une application donnée (par 5 exemple, des points de conception pour le ravitaillement en vol, l'atterrissage et similaire). En ce qui concerne une autre situation dans laquelle l'axe 502 est fixe, cela peut apporter une meilleure régularité de rayon de col durant les transitions de mode à une aire de col 10 nominale donnée. Il est clair que l'emplacement exact de ce col instantané se déplace légèrement le long de la partie de surface 40, ce qui peut également entraîner un léger changement de position de col longitudinale en plus du léger changement de rayon de col. La figure 3 représente l'anneau de synchronisation 62 déplacé à l'extrémité arrière de sa plage de mouvement pour obtenir un état d'aire/rayon de cols minimaux. Spécifiquement, la figure 3 représente celui-ci dans un état de mode haut comme décrit ci-dessus. Durant la 20 transition de l'anneau de synchronisation, il se produit un télescopage associé (une contraction, comme décrit) du volet externe. La nécessité de permettre une plage suffisante de télescopage dans la plage d'aire de col peut, comme indiqué ci-dessus, dépasser la plage 25 souhaitée d'extensibilité associée au changement de mode. Par conséquent, le support de mode peut encore fonctionner de manière à limiter la plage de mouvement de la combinaison du volet divergent et du volet externe. La figure 4 représente le volet dans un état d'aire/rayon de 30 cols minimaux de mode bas. Avantageusement, la liaison de vérin et la géométrie de volet sont choisies de manière à tolérer une i1 plage d'états d'aire de col efficace pour satisfaire au domaine de performances souhaitée. Un domaine exemplaire comprendrait un rayon de col maximal qui est d'environ 150 % du rayon de col minimal (par exemple, de plus de 5 140 %). De manière similaire, le support de mode et son montage sont configurés de manière à tolérer une plage de mode souhaitée. Une plage de mode exemplaire comprend un O minimal compris entre -5 et +5 et un 0 maximal compris entre 10 et 25 . Une telle plage peut être 10 avantageusement mise en oeuvre pour toutes les aires de col. La présente tuyère peut être configurée en tant que reconfiguration d'une tuyère existante ou sinon, configurée pour un environnement existant (par exemple, 15 en tant que remplacement d'une tuyère existante). Par exemple, la tuyère illustrée peut être formée en tant que remplacement d'une tuyère généralement similaire mais dans laquelle un levier coudé est connecté au volet convergent (ou au point d'articulation entre les volets 20 convergent et divergent) plutôt qu'aux volets divergents. La reconfiguration peut conserver l'anneau de synchronisation et potentiellement, des parties de la liaison comprenant le levier coudé. La reconfiguration peut également conserver les détails de base du volet 25 externe et du support de mode, mais peut nécessiter des modifications mineures de géométrie si les plages exactes de l'aire de col et de l'angle de volet doivent être maintenues. Un ou plusieurs modes de réalisation de la présente 30 invention ont été décrits. Néanmoins, il doit être noté que différentes modifications peuvent être faites sans s'écarter de l'esprit et la portée de l'invention. Par exemple, lorsqu'elle est mise en oeuvre en tant que reconfiguration d'une tuyère existante, différents détails de la tuyère existante peuvent être conservés par nécessité ou par commodité. De plus, les principes 5 peuvent être appliqués à des tuyères non asymétriques en plus des tuyères asymétriques et des tuyères de guidage en plus de tuyères non-guidantes. En conséquence, d'autres modes de réalisation sont dans la portée des revendications suivantes. REVENDICATIONS 1. Sous-ensemble de tuyère de moteur à turbine (20) comprenant: un volet amont (22) un volet aval (26) couplé de manière pivotante au volet amont pour rotation relative autour d'un axe d'articulation (502) ; et une liaison de vérin (70) couplée au volet aval 10 (26) le long de la moitié avant de celui-ci pour actionner les volets amont et aval entre une pluralité d'états d'aire de col. 2. Sous-ensemble selon la revendication 1 comprenant en outre: un volet externe (50) couplé de manière pivotante au volet aval et à une structure environnante de telle manière que l'étendue entre les emplacements de couplage respectifs avec lesdits volet aval et structure environnante soit extensible et rétractable en réponse 20 aux forces aérodynamiques; et des moyens pour restreindre la plage d'extensibilité dudit volet externe. 3. Sous-ensemble selon la revendication 2, dans lequel: lesdits moyens comprennent une liaison secondaire (100) ayant un premier emplacement de couplage pivotant (102) à la structure environnante et un second emplacement de couplage pivotant (104) au volet divergent, le second emplacement de couplage pivotant 30 étant intermédiaire entre l'emplacement de couplage du volet aval (26) au volet externe (50) et l'emplacement de couplage de la liaison de vérin (70) au volet aval (26) ; et la liaison secondaire a une plage de flottement libre limitée par rapport au volet aval. 4. Tuyère de moteur à turbine comprenant: une structure statique (66) ; une pluralité de sous-ensembles de volet comprenant: un volet amont (22) couplé de manière pivotante à 10 la structure statique pour rotation relative autour d'un axe (503) sensiblement fixe par rapport à la structure statique; et un volet aval (26) couplé de manière pivotante au volet amont (22) pour rotation relative autour d'un axe 15 d'articulation (502) ; et des moyens (70) pour actionner l'articulation des volets amont et aval de la pluralité de sous-ensembles de volet dans une plage d'aires du col tout en réduisant au minimum les variations induites par le mode d'aire de col 20 à un point de conception donné. 5. Tuyère selon la revendication 4 dans laquelle: la pluralité de sousensembles de volet sont agencés de manière asymétrique autour d'un axe de moteur; ladite articulation est simultanée pour chacun des sous-ensembles de volet; et chacun parmi la pluralité de sous-ensembles de volet comprend en outre un volet externe (50) couplé de manière pivotante au volet aval. 6. Procédé de rattrapage d'un moteur à turbine ou reconfiguration d'une configuration de moteur à turbine, ledit moteur ou configuration ayant ou ayant eu précédemment un premier sous-ensemble de tuyère ayant un volet convergent, un volet divergent, un volet externe et une liaison d'actionnement couplée au volet convergent, le procédé comprenant: l'installation ou la configuration d'un second sous-ensemble comprenant: un second volet convergent; un second volet divergent; et une seconde liaison d'actionnement, partageant 10 facultativement un ou plusieurs composants avec la liaison d'actionnement du premier sous-ensemble de tuyère, et couplée au second volet divergent de manière à permettre une articulation de changement de mode d'origine aérodynamique du second volet divergent pour 15 faire tourner le second volet divergent autour d'un centre de rotation instantané non fixe tout en faisant tourner simultanément le second volet divergent par rapport au second volet convergent autour d'un axe d'articulation non fixe. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel: ledit second sousensemble produit un col aérodynamique ayant une aire de col qui est moins sensible aux changements d'aire associés à ladite articulation de changement de mode que l'aire d'un col 25 produit par le premier sousensemble de tuyère. 8. Procédé selon la revendication 6 dans lequel: un agencement circonférentiel de tels premiers sous-ensembles de tuyère est remplacé par un agencement circonférentiel de tels seconds sous-ensembles de tuyère.