Brevet FR2857415A1 — publié le 20050114

L'invention a été réalisée avec le soutien du gouvernement des Etats-Unis dans le cadre du contrat N00019-02-C-3003 accordé par la U.S. Navy. Le gouvernement des Etats-Unis a certains droits sur l'invention. La présente invention concerne des moteurs à turbine à gaz et, plus particulièrement, des tuyères d'échappement convergentes/divergentes pour des moteurs à turbine à gaz. Un art bien développé existe dans le domaine des tuyères de moteur à turbine. Le brevet U.S. n 6 398 129 décrit une tuyère de l'art antérieur typique. Cette tuyère typique est une tuyère asymétrique ayant un agencement de paires de volets: un volet convergent en amont et un volet divergent en aval. Les volets divergents peuvent être articulés selon différentes orientations associées aux modes du moteur. Le volet divergent typique comprend, en section longitudinale, une partie en amont convexe à courbe continue d'un rayon de courbure donné et une ou plusieurs parties en aval rectilignes. Durant l'articulation du volet entre les modes, le rétrécissement aérodynamique de la tuyère se produit à un emplacement le long de la partie en amont. Un aspect de l'invention concerne une tuyère d'échappement pour un moteur à turbine à gaz. Une première partie présente une surface intérieure convergeant dans une direction en aval. Une deuxième partie présente une surface intérieure en aval de la surface intérieure de la première partie. Les première et deuxième parties peuvent comprendre chacune un agencement circonférentiel de volets. Chaque volet dans la deuxième partie peut être couplé à la première partie pour articulation dans une plage d'orientations de mode. La surface intérieure de la deuxième partie le long de chaque volet a un rayon de courbure longitudinal central qui, de l'amont vers l'aval présente: une première 2 2857415 valeur le long d'une première partie de volet; au moins une deuxième valeur, inférieure à la première valeur et comprise entre 6,3 mm (0,25 pouce) et 25,4 mm (1, 0 pouce) (limites comprises, sauf indication contraire) le long d'une deuxième partie; et au moins une troisième valeur, inférieure à la première valeur, et comprise entre 127 mm (5,0 pouces) et 254 mm (10,0 pouces) le long d'une troisième partie. Dans différentes mises en oeuvre, le rayon de courbure peut être pratiquement infini le long de la première partie. Le rayon de courbure peut augmenter de manière continue d'un minimum compris entre 6,3 mm (0,25 pouces) et 127 mm (5,0 pouces) à un maximum compris entre 203,2 mm (8,0 pouces) et 355,6 mm (14,0 pouces). L'augmentation continue peut être lisse ou se produire par paliers sur une étendue longitudinale comprise entre 50,8 mm (2,0 pouces) et 76,2 mm (3,0 pouces). La plage d'orientations peut s'étendre entre une orientation de mode bas dans laquelle le rapport de l'aire de sortie à l'aire de rétrécissement est compris entre 1,05:1 et 1,5:1 et une orientation de mode haut dans laquelle le rapport est supérieur à celui du mode bas et compris entre 1,3:1 et 2,0:1. Le rapport peut être compris entre 1, 1: 1 et 1, 3: 1 dans le mode bas et entre 1,4:1 et 1, 5: 1 dans le mode haut. Entre les orientations de mode bas et haut, le rayon de rétrécissement peut varier de moins de 0,5 %. Cette variation peut être inférieure à 0,2 %. Chaque volet peut être couplé de manière pivotante à la première partie pour rotation autour d'un axe d'articulation associé durant la transition entre les modes bas et haut. L'axe d'articulation peut avoir une première distance radiale depuis la ligne centrale de la tuyère. La deuxième partie de tuyère peut avoir un rétrécissement ayant une deuxième distance radiale depuis la ligne centrale et une première distance longitudinale depuis l'axe d'articulation. Le rapport de la première 2857415 3 distance longitudinale à la longueur de volet longitudinale de l'axe d'articulation à l'extrémité de sortie est compris entre 0,05:1 à 0,20:1. Un autre aspect de l'invention met en oeuvre une tuyère d'échappement pour un moteur à turbine à gaz comprenant une partie en amont ayant une pluralité de premiers volets agencés de manière circonférentielle et une surface intérieure convergeant dans une direction en aval. La partie en aval peut comprendre une pluralité de deuxièmes volets agencés de manière circonférentielle, chacun étant articulé par rapport à l'un des premiers volets correspondant. La partie en aval peut comprendre une sortie en aval et une surface intérieure en aval de la surface intérieure de la partie en amont. Un profil longitudinal de la surface intérieure de la partie en aval a une première partie pratiquement rectiligne. Une deuxième partie convexe est en aval de la première partie et a un rayon de courbure augmentant de manière continue. La surface peut être lisse et l'augmentation peut être continue ou par paliers. Une troisième partie pratiquement rectiligne est en aval de la deuxième partie. Dans différentes mises en oeuvre, la tuyère peut comprendre une pluralité de troisièmes volets agencés de manière circonférentielle, chacun étant extérieur à et articulé par rapport à l'un des deuxièmes volets correspondant. Le rayon de courbure de la deuxième partie peut varier d'une valeur en amont comprise entre 6,3 mm (0,25 pouce) et 12,7 mm (0,5 pouce) à une valeur en aval comprise entre 203,2 mm (8,0 pouces) et 355,6 mm (14,0 pouces) sur une étendue axiale d'au moins 50,8 mm (2,0 pouces). Un autre aspect de l'invention concerne une tuyère d'échappement à symétrie axiale convergente/divergente pour un moteur à turbine à gaz. Il y a un pivot d'articulation à la jonction où la partie convergente et 2857415 4 la partie divergente de la tuyère se rencontrent. Les parties convergente et divergente comprennent toutes deux une pluralité de volets s'étendant axialement espacés de manière circonférentielle. Un rétrécissement radial a une surface exposée au milieu de fonctionnement du moteur et est situé en aval du pivot articulé. La surface de rétrécissement radial est définie par une courbure convexe formée sur les volets de la partie divergente et a une partie ayant un rayon de courbure augmentant en continu d'amont en aval. Les détails d'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention sont décrits sur les dessins annexés et la description ci-dessous. D'autres caractéristiques, objets et avantages de l'invention apparaîtront également. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale partielle schématique d'une tuyère d'échappement de l'art antérieur. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale partielle schématique d'une tuyère d'échappement selon 20 les principes de l'invention. Des numéros et désignations de référence similaires sur les différents dessins désignent des éléments similaires. La figure 1 représente une tuyère de l'art antérieur typique 30 montée sur un segment statique de moteur 31. Sur cette vue schématique, différents parties (par exemple, des actionneurs) et détails ne sont pas représentés étant donné qu'ils représentent des détails techniques connus. La tuyère a une section en amont 32 formée par un agencement circonférentiel de volets 34 autour d'une ligne centrale ou axe longitudinal central de tuyère/moteur 500. Chaque volet 34 s'étend d'une extrémité en amont 35 à une extrémité en aval 36. Chaque volet 34 a une surface intérieure 38 qui est en coopération pour former la surface intérieure de la section en amont 32. Une section en aval 40 est formée par un agencement circonférentiel similaire de volets 42 représentés en mode bas (trait continu) et en mode haut (trait discontinu). Chaque volet 42 s'étend d'une extrémité en amont 44 à une extrémité en aval 45 et a une surface intérieure 46. Dans le mode de réalisation typique, chaque volet en aval 42 est articulé avec un volet en amont associé 34 par une articulation 50 connectant l'extrémité en aval de volet en amont 36 à l'extrémité en amont de volet en aval 44 pour rotation relative autour d'un axe d'articulation 502. L'articulation 50 permet l'articulation du volet en aval 42 dans une plage entre ses orientations de mode haut et bas. Une telle articulation est entraînée par des forces de pression aérodynamique de part et d'autre de la combinaison du volet en aval 42 et d'un volet externe associé 54. Chaque volet externe s'étend d'une extrémité en amont 55 à une extrémité en aval 56 et présente une surface externe (extérieure) 58. L'extrémité en amont est couplée à la structure de segment statique par une articulation 60 pour rotation relative autour d'un axe d'articulation 504. L'extrémité en aval 56 est couplée à l'extrémité en aval 45 du volet 42 par une articulation 62 pour rotation relative autour d'un axe d'articulation 506. Le volet externe est configuré de telle manière que son étendue entre les axes 504 et 506 puisse s'étendre et se contracter (à l'aide d'éléments télescopiques, par exemple). Cette aptitude à l'extension/contraction permet aux forces exercées sur la combinaison de volets divergent/externe d'articuler la combinaison de volets dans une plage de conditions entre le mode bas en trait plein et le mode haut en trait discontinu, la contraction se produisant du mode bas à haut et l'extension se produisant dans la direction opposée. Dans le mode de réalisation typique, en coupe longitudinale, la surface intérieure de volet en amont (convergent) 38 est rectiligne et orientée de manière à converger vers l'axe 500 dans la direction en aval de telle manière que les surfaces intérieures combinées de l'agencement de volets 34 forment une surface en aval convergente, pratiquement tronconique, ayant un demi-angle 01 s'étendant d'une entrée 52 aux extrémités en amont 35 aux extrémités en aval 36 et aux articulations 50. Chaque surface intérieure de volet en aval (divergent) 46 a, en coupe longitudinale, une partie en amont 72 s'étendant en aval de l'extrémité en amont 44 à une transition 74. La partie en amont typique 72 est convexe vers l'intérieur, ayant un rayon de courbure Ro sensiblement uniforme. Une partie en aval 76 entre la transition 74 et l'extrémité en aval 45 est pratiquement rectiligne. L'emplacement où la surface 72 est à un rayon minimal depuis l'axe 500 définit un rétrécissement 78 ayant un rayon RT depuis l'axe. Les parties en aval 76, en combinaison, définissent une surface en aval divergente, pratiquement tronconique, de demi-angle 00 s'étendant de la transition à une sortie 80 aux extrémités en aval 45. Dans la tuyère typique, le rayon de rétrécissement nominal (et donc, l'aire associée) peut être contrôlé par un système d'actionnement (r) monté en connexion avec le segment statique 31 et qui déplace la position de l'axe s'étendant transversalement 502 de l'articulation 50, par exemple, par rotation de chaque volet convergent 34 autour d'un axe 509 d'une articulation 82 à son extrémité avant 35. Dans un mode de réalisation typique de la tuyère de l'art antérieur 30, le rayon d'entrée RI est de 477,52 mm (18,8 pouces), l'angle 01 est de 43 , le rayon d'articulation de volet RH est de 347,98 mm (13,7 pouces), et le rayon de courbure Ro est de 76,2 mm {3 pouces). En mode bas, l'angle 00 est de 4,4 , le rayon de rétrécissement RT est de 325,12 mm (12,8 pouces), la distance longitudinale axiale LT entre le rétrécissement et l'articulation est de 45,72 mm (1,8 pouce), le rayon de sortie RE est de 365,76 mm (14,4 pouces), la longueur axiale d'articulation à sortie LE est de 609,6 mm (24 pouces) et la longueur axiale d'entrée à sortie L est de 762 mm (30 pouces). Dans la transition de mode bas à haut, le rétrécissement se déplace légèrement vers l'avant le long de la surface 72 et radialement vers l'extérieur lors de la rotation du volet divergent. Le rayon de rétrécissement déplacé est désigné par R'T. En mode haut, 0'0 est de 9 , R'T est de 330,2 mm (13,0 pouces), L'T est de 43,18 mm (1,7 pouce) et R'E est de 408,94 mm (16,1 pouces). Différents aspects concernent la reconfiguration de la tuyère (par exemple, pour permettre un changement de perte de charge). Dans une reconfiguration typique, il est probablement souhaitable de maintenir le rayon d'entrée RI pour accouplement avec le reste du moteur. Les considérations de performances aérodynamiques peuvent impliquer que d'autres paramètres soient généralement conservés (mais avec légèrement plus de flexibilité). Par exemple, il peut être souhaitable de maintenir les mêmes rayon de rétrécissement RT et rayon de sortie RE. Il peut également être souhaitable de réutiliser les volets en amont pour leurs configurations, de manière à conserver l'emplacement de l'articulation de volet 50. La figure 2 représente une tuyère reconfigurée 130 dans laquelle des éléments analogues à ceux de la tuyère de la figure 1 sont représentés avec des numéros augmentés de 100. Les éléments représentés non décrits séparément ne sont pas référencés séparément. Sur chaque volet en aval 142, la partie en amont 172 de la surface intérieure 146 a un rayon de courbure Roi non constant. Le long de la partie en amont 172, d'amont en aval, le rayon de courbure passe de relativement élevé à relativement faible à relativement élevé. Spécifiquement, dans le mode de réalisation typique, une partie la plus 2857415 8 en amont 190 est rectiligne, et a donc un rayon de courbure infini. A une transition 192 à une extrémité en aval de cette partie 190, le rayon change brusquement à une valeur inférieure à Rc. Le rayon augmente ensuite en aval à une valeur supérieure à Rc à la transition 174. L'augmentation peut être continue et lisse (par exemple, comme dans un segment d'une parabole ou d'une ellipse). A l'extrême, le volet entier peut être courbe à un rayon inférieur à l'infini (éliminant ainsi les parties rectilignes en amont et en aval). En variante, une seule partie peut être éliminée. Dans des modes de réalisation typiques, la partie à courbe non rectiligne intermédiaire entre les parties rectilignes a une étendue longitudinale comprise entre 5 % et 10 % de la longueur d'articulation à sortie. Dans une première reconfiguration typique du mode de réalisation typique de la tuyère de l'art antérieur 30, la position d'articulation de volet et les positions de sortie sont conservées, nécessitant uniquement une reconfiguration du volet divergent et non des volets convergents et externes. Dans une seconde reconfiguration typique, plus poussée, du mode de réalisation typique de la tuyère de l'art antérieur 30, le rayon d'articulation RH1 est de 342,9 mm (13,5 pouces), soit une légère diminution. L'angle 611 est de 44 , soit une légère augmentation. Le rayon de courbure RC1 augmente d'une valeur en amont de 12,7 mm (0,5 pouce) à une valeur en aval de 203, 2 mm (8,0 pouces). Ce profil de courbure avance le rétrécissement par rapport à l'articulation et, dans le mode de réalisation typique, par rapport à l'entrée. Dans un mode bas typique, Rn est de 325,12 mm (12,80 pouces) (relativement inchangé par rapport à la ligne de base), et RE1 est de 365,76 mm (14,4 pouces) (relativement inchangé par rapport à la ligne de base). 001 est de 4,3 , légèrement réduit par rapport à 60. En mode haut, 2857415 9 R'Tl est de 325,37 mm {12,81 pouces), R'El est de 408,94 mm (16,1 pouces), et 0'01 est de 8,9 . L'augmentation du rayon d'articulation le long de la direction plus radiale de la surface de volet immédiatement en aval de celle-ci contribue à masquer l'articulation d'un radar. Le changement de position relative du rétrécissement et de l'articulation rend également le rayon de rétrécissement et la position longitudinale de la modification typique moins sensible aux changements d'angle de sortie et de rayon d'entrée lors de changements de mode (sans changements dus au réglage des gaz par le système d'actionnement). Cela permet de mieux contrôler la section transversale RADAR (RCS) durant des transitions de mode en dissimulant mieux l'articulation de volet. Un ou plusieurs modes de réalisation de la présente invention ont été décrits. Cependant, il apparaîtra que différentes modifications peuvent être faites sans s'écarter de l'esprit et la portée de l'invention. Par exemple, des détails du moteur auquel une tuyère particulière doit être fixée régissent ou influencent les caractéristiques de la tuyère. En particulier en cas d'application en tant que reconfiguration d'une tuyère existante, différentes caractéristiques de la tuyère existante peuvent être conservées. En conséquence, d'autres modes de réalisation sont dans la portée des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Tuyère d'échappement pour un moteur à turbine à gaz comprenant. une première partie (32,34) ayant une surface intérieure (38) convergeant dans une direction en aval; 5 et une deuxième partie (40,76) ayant une surface intérieure en aval de la surface intérieure de la première partie, la deuxième partie comprenant une pluralité de volets (42) agencés de manière circonférentielle, chaque volet étant couplé de manière pivotante à la première partie (32,38) pour articulation dans une plage d'orientations, dans laquelle: la surface intérieure (46) de la deuxième partie le 15 long de chaque volet a un rayon de courbure longitudinal central qui, d'amont en aval, a: au moins une première valeur le long d'une première partie; au moins une deuxième valeur, inférieure à la 20 première valeur, et comprise entre 6,3 mm (0,25 pouce) et 25,4 mm (1,0 pouce) le long d'une deuxième partie; et au moins une troisième valeur, inférieure à la première valeur, et comprise entre 127 mm (5,0 pouces) et 0,25 m (10,0 pouces) le long d'une troisième partie. 25 2. Tuyère selon la revendication 1 dans laquelle ledit rayon de courbure: est pratiquement infini le long de la première partie; et augmente en continu d'un minimum compris entre 6,3 mm (0,25 pouce) et 127 mm (5,0 pouces) à un maximum compris entre 0, 20 m (8,0 pouces) et 0,36 m (14,0 pouces). 2857415 11 3. Tuyère selon la revendication 2 dans laquelle ladite augmentation continue se produit sur une étendue longitudinale comprise entre 51 mm (2, 0 pouces) et 76 mm (3,0 pouces). 4. Tuyère selon la revendication 2 dans laquelle ladite augmentation continue se produit sur une étendue longitudinale ayant une longueur comprise entre 5 % et 10 % de la longueur de volet longitudinale. 5. Tuyère selon l'une des revendications précédentes dans laquelle ladite plage d'orientations s'étend entre: une orientation de mode bas dans laquelle le rapport de l'aire de sortie à l'aire de rétrécissement est compris entre 1,05:1 et 1,5:1; et une orientation de mode haut dans laquelle ledit rapport est supérieur audit rapport dans ladite orientation de mode bas et compris entre 1,3:1 et 2,0:1. 6. Tuyère selon la revendication 5 dans laquelle: dans l'orientation de mode bas, ledit rapport est compris entre 1,1:1 et 1,3:1; et dans l'orientation de mode haut, ledit rapport est compris entre 1,4:1 et 1, 5:1. 7. Tuyère selon la revendication 5 ou 6 dans laquelle entre les orientations de mode bas et haut, le rayon de rétrécissement varie de moins de 0,5 %. 8. Tuyère selon la revendication 5 ou 6 dans laquelle: entre les orientations de mode bas et haut, le rayon de rétrécissement varie de moins de 0,2 %. 9. Tuyère selon l'une des revendications précédentes dans laquelle: chaque volet (34,42) est couplé de manière pivotante à la première partie (32) pour rotation autour d'un axe d'articulation associé (502,504,506), ledit axe d'articulation ayant une première distance radiale depuis la ligne centrale de la tuyère et ledit volet ayant une longueur de volet longitudinale dudit axe d'articulation à l'extrémité de sortie dudit volet; la deuxième partie (40,76) a un rétrécissement ayant une deuxième distance radiale depuis la ligne centrale et une première distance longitudinale depuis ledit axe d'articulation; et le rapport de ladite première distance longitudinale 15 à ladite longueur de volet longitudinale est compris entre 0,05:1 et 0,20:1. 10. Tuyère d'échappement pour un moteur à turbine à gaz comprenant. une partie en amont (32,34) comprenant une pluralité de premiers volets (34) agencés de manière circonférentielle et ayant une surface intérieure (38) convergeant dans une direction en aval; et une partie en aval (40,76) comprenant: une pluralité de deuxièmes volets (42) agencés de manière circonférentielle, chacun étant articulé par rapport à l'un des premiers volets correspondant; une sortie en aval; et une surface intérieure (46) en aval de la surface intérieure de la partie en amont, dans laquelle le profil longitudinal de ladite surface intérieure (46) de partie en aval présente: une première partie pratiquement rectiligne; 30 une deuxième partie convexe en aval de la première partie et ayant un rayon de courbure augmentant de manière continue; et une troisième partie pratiquement rectiligne en aval 5 de la deuxième partie. 11. Tuyère selon la revendication 10 comprenant en outre une pluralité de troisièmes volets (54) agencés de manière circonférentielle, chacun étant extérieur à et articulé par rapport à l'un des deuxièmes volets (42) correspondant. 12. Tuyère selon la revendication 10 ou 11 dans laquelle le rayon de courbure de la deuxième partie varie (40,76) d'une valeur en amont comprise entre 6,4 mm (0,25 pouce) et 12,7 mm (0,5 pouce) à une valeur en aval comprise entre 0,20 m (8,0 pouces) et 0,36 m (14,0 pouces) sur une étendue axiale d'au moins 51 mm (2,0 pouces). 13. Tuyère d'échappement convergente/divergente pour un moteur à turbine à gaz comprenant un pivot articulé à la jonction où la partie convergente (32,34) et la partie divergente (40,76) de ladite tuyère se rencontrent, ladite partie convergente comprenant une pluralité de volets (34) s'étendant axialement espacés de manière circonférentielle, un rétrécissement radial ayant une surface exposée au milieu de fonctionnement du moteur et étant situé en aval du pivot articulé, la surface dudit rétrécissement radial étant définie par une courbure convexe formée sur les volets (42) de la partie divergente et ayant une partie avec un rayon de courbure augmentant de manière continue d'amont en aval.