Brevet FR3004494A1 — publié le 20141017

La présente invention concerne le domaine des turbopropulseurs d'aéronef à soufflante non carénée. Plus précisément, la présente invention se rapporte à une tuyère tournante pour turbopropulseur à soufflante non carénée. En se référant à la figure 1 extraite de la demande de brevet français appartenant à SNECMA, enregistrée sous le numéro 1152078, un turbopropulseur à soufflante non carénée comprend un turbopropulseur 1 et une nacelle 3 annulaire, disposée coaxialement par rapport au turbopropulseur, autour d'un axe longitudinal 5 du turbopropulseur. Le turbopropulseur 1 comprend, de l'amont (à gauche sur la figure 1) vers l'aval (à droite sur la figure 1) selon le sens d'écoulement de l'air, un compresseur, une chambre de combustion, une turbine à deux rotors contrarotatifs (ces éléments, logés dans la nacelle 3, ne sont pas visible sur cette figure) et une tuyère 7 d'éjection du flux d'air traversant le turbopropulseur. Ces rotors amont et aval entraînent chacun en rotation autour de l'axe longitudinal 5 un ensemble amont 9a et aval 9b de pales de soufflante 9 situées en aval du turbopropulseur 1. La tuyère 7 d'éjection du flux d'air est dite tournante, en ce qu'elle est mobile en rotation autour de l'axe longitudinal 5 du turbopropulseur 1, par 20 rapport à un cône d'éjection 10 des gaz sensiblement concentrique à la tuyère 7. A cet effet, et comme visible plus particulièrement sur la figure 2 illustrant schématiquement la tuyère 7 en coupe longitudinale, la section amont 11 de la tuyère 7 est reliée à un ensemble de brides 12, 13 respectivement solidaires du rotor aval de la turbine du turbopropulseur (non représenté) et de capots 25 tournants assemblés autour des pales de soufflante 9b (visibles sur la figure 1). Comme représenté sur la figure 2, la tuyère 7 présente une section longitudinale sensiblement triangulaire. La tuyère 7 comprend une paroi interne 15 et une paroi externe 17, chacune typiquement réalisée en Inconel. Les parois interne 15 et externe 17 sont reliées entre elles grâce à 30 une soudure circulaire 19 s'étendant sur toute la circonférence de la tuyère et définissant une zone de jonction annulaire 21 entre les parois interne et externe en aval de la tuyère. Selon un autre type de tuyère, telle que celle illustrée sur la figure 3 représentant une tuyère non tournante d'éjection du flux d'air primaire d'un 35 turboréacteur double flux, la zone de jonction entre les parois interne 15 et externe 17 de la tuyère 7 comprend une cale annulaire 23 disposée au niveau de la section aval de la tuyère, entre lesdites parois interne et externe. La cale annulaire 23 est maintenue en sandwich entre les parois interne et externe. La cale annulaire 23 est brasée sur la paroi interne 15 et assemblée par rivetage sur la paroi externe 17. Les tuyères tournantes ou non tournantes ont pour but de permettre l'éjection du flux d'air chaud émanant du turbopropulseur. Toutefois, quel que soit le type de tuyère retenue, ces tuyères présentent toutes une zone de jonction annulaire au niveau de leur section aval. Le flux d'air chaud s'écoulant le long de la paroi interne de la tuyère diffuse de la chaleur entre les parois interne et externe de la tuyère, ce qui a pour conséquence de limiter les capacités de refroidissement du moteur. La présente invention vise à pallier ces inconvénients, et se rapporte à cet effet à une tuyère pour turbopropulseur d'aéronef à soufflante non carénée, comprenant : - une paroi interne, - une paroi externe radialement éloignée par rapport à ladite paroi interne et concentrique avec ladite paroi interne, - une zone de jonction desdites parois interne et externe, la tuyère étant remarquable en ce que la zone de jonction comprend au moins 20 une ouverture contenue dans un plan sensiblement transverse à un axe longitudinal de ladite tuyère. Ainsi, en prévoyant une ou plusieurs ouvertures dans la zone de jonction des parois interne et externe de la tuyère, on crée une ventilation entre lesdites parois interne et externe, ce qui permet d'assurer une bonne 25 ventilation du moteur. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, chacune des parois de la tuyère comprend au moins une peau métallique en Inconel. La zone de jonction des parois interne et externe de la tuyère comprend des moyens de liaison des parois de la tuyère, lesdits moyens 30 comprenant, d'une part, au moins deux platines de liaison et, d'autre part, des moyens de fixation desdites platines entre elles. Les moyens de liaison sont répartis discrètement sur la circonférence de la tuyère, entre les parois interne et externe de la tuyère. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la paroi 35 interne de la tuyère est constituée par une peau métallique en Inconel et la paroi externe de la tuyère est constituée par une peau en titane. Cela permet avantageusement de réduire la masse de la tuyère par rapport au premier mode de réalisation de l'invention. Selon ce deuxième mode de réalisation, la zone de jonction des parois interne et externe de la tuyère comprend au moins un patin solidaire de la paroi interne et au moins un patin solidaire de la paroi externe de la tuyère et positionné en vis-à-vis dudit au moins un patin de la paroi interne de la tuyère. Lorsque le turbopropulseur n'est pas en fonctionnement, les patins de la paroi externe sont en vis-à-vis des patins de la paroi interne, mais ne sont pas en contact l'un avec l'autre. Lorsque le turbopropulseur est en fonctionnement, la paroi externe de la tuyère, constituée par une peau en titane, se dilate plus fortement que la paroi interne de la tuyère, constituée par une peau métallique en Inconel, du fait de la différence entre les coefficients de dilatation thermique du titane et de l'Inconel. Ainsi, la paroi externe se déplace vers la paroi interne, ce qui entraîne un déplacement des patins de la paroi externe en direction des patins de la paroi interne positionnés en vis-à-vis, créant en conséquence une pluralité de liaisons discrètes du type « appui plan » entre la paroi externe et la paroi interne. Selon une caractéristique optionnelle, les patins de la paroi interne sont surmontés d'une butée, par exemple en carbone, ce qui permet d'éviter un 20 contact direct entre les patins des parois interne et externe, permettant avantageusement d'éviter une usure prématurée desdits patins. Selon une variante commune aux deux modes de réalisation de l'invention, la paroi interne comprend au moins un raidisseur annulaire positionné en vis-à-vis d'au moins un raidisseur annulaire de la paroi externe, 25 de façon à améliorer la tenue structurelle de la tuyère. De préférence, la zone de jonction des parois interne et externe est située au niveau d'une section aval de la tuyère. Selon l'invention, la peau métallique en Inconel des parois interne et externe est obtenue par un procédé de forgeage matriçage, qui permet très 30 avantageusement de s'affranchir des soudures longitudinales pour former chacune des parois, mais également des soudures circulaires utilisées dans l'art antérieur pour assembler les parties constituant les parois. En réalisant la tuyère grâce à un tel procédé, on réduit en outre la masse de la tuyère. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des figures ci-annexées, dans lesquelles : - la figure 1 représente un turbopropulseur à soufflante non carénée connue de l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale de la tuyère tournante selon l'art antérieur ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une portion de tuyère non tournante selon l'art antérieur ; - la figure 4 illustre une portion de la tuyère selon l'invention, obtenue selon un premier mode de réalisation ; - la figure 5 est une vue de détail de la zone de jonction des parois interne et externe de la tuyère ; - la figure 6 illustre en coupe transversale selon la ligne 6-6 la tuyère de la figure 4 ; - la figure 7 représente une portion de la tuyère selon l'invention, obtenue selon un deuxième mode de réalisation ; - la figure 8 illustre en coupe transversale selon la ligne 8-8 la tuyère de la figure 7 ; - la figure 9 est une vue en coupe selon la ligne 9-9 de la figure 8 - la figure 10 illustre la tuyère du deuxième mode de réalisation de l'invention, vue depuis l'axe longitudinal de la tuyère. Sur l'ensemble des figures, des références identiques ou analogues désignent des organes ou ensembles d'organes identiques ou analogues. On se réfère à la figure 4, illustrant la tuyère réalisée selon un 30 premier mode de réalisation de l'invention. La tuyère 7 comprend une paroi interne 15 et une paroi externe 17, typiquement réalisées dans un matériau offrant une bonne résistance mécanique à des températures d'environ 600° Celsius au niveau de la paroi interne, et d'environ 300° Celsius au niveau de la paroi externe. A cet effet, les parois interne et externe sont de préférence constituées par des peaux métalliques en Inconel, matériau présentant une résistance mécanique acceptable jusqu'à 800° Celsius. La section amont 11 de la tuyère est reliée à un ensemble de brides 12, 13 respectivement solidaires du rotor aval de la turbine du turbopropulseur (non représenté) et de capots tournants assemblés autour des pales de soufflante aval. A titre d'exemple, la paroi interne 15 est boulonnée sur la bride 12 et la paroi externe 17 est vissée sur la bride 13. Selon l'invention, la section aval 25 de la tuyère 7 comprend une 10 zone de jonction 27 des parois interne et externe. Cette zone de jonction des parois interne 15 et externe 17 comprend des moyens de liaison des parois de la tuyère, constitués par une pluralité de platines de liaison 29, 31. Les platines de liaison 29 sont solidaires de la paroi interne 15 et 15 orientées en direction de l'intérieur de la tuyère 7, et les platines de liaison 31 sont solidaires de la paroi externe 17 et orientées en direction de l'intérieur de la tuyère 7. Les moyens de liaison des parois de la tuyère comprennent en outre des moyens de fixation des platines 29, 31 entre elles. A titre d'exemple 20 non limitatif, ces moyens de fixation comprennent des vis 33, comme représenté plus en détails sur la figure 5. En se référant à la figure 6, illustrant une vue en coupe selon la ligne 6-6 définie sur la figure 4, la tuyère 7 selon l'invention comprend une pluralité d'ouvertures 35 contenues dans un plan sensiblement transverse à un 25 axe longitudinal 34 (visible sur la figure 10 de la tuyère. Ces ouvertures 35 sont interposées avec les platines 29, 31 réparties discrètement sur la circonférence de la tuyère. En se référant une dernière fois à la figure 4, le bord de fuite 38 de la tuyère est ouvert, c'est-à-dire que les extrémités des parois interne 15 et 30 externe 17 ne sont pas reliées entre elles, ce qui permet d'assurer une bonne ventilation entre les parois. Afin de renforcer la tenue structurelle de la tuyère, les parois interne 15 et externe 17 comprennent chacune un raidisseur annulaire 37, 39 disposés en vis-à-vis l'un de l'autre. 35 La tuyère selon l'invention est avantageusement réalisée par un procédé de forgeage-matriçage des peaux interne et externe en Inconel. Ce procédé permet très avantageusement de s'affranchir des soudures longitudinales et circulaires sur la tuyère. Selon un deuxième mode de réalisation de la tuyère selon l'invention, représenté aux figures 7 à 10, les parois interne 15 et externe 17 sont respectivement constituées par une peau métallique en Inconel et par une peau en titane. La présence d'une paroi externe constituée par une peau en titane permet de réduire la masse de la tuyère par rapport au premier mode de réalisation selon lequel les deux parois de la tuyère sont constituées par des peaux en Inconel. Comme précédemment, la section amont 11 de la tuyère est reliée à un ensemble de brides 12, 13 respectivement solidaires du rotor aval de la turbine du turbopropulseur (non représenté) et de capots tournants assemblés autour des pales de soufflante aval. Selon l'invention, la section aval 25 de la tuyère 7 comprend une 15 zone de jonction 41 des parois interne et externe. Cette zone de jonction des parois interne 15 et externe 17 comprend une pluralité de patins 43 solidaire de la paroi interne 15 et une pluralité de patins 45 solidaires de la paroi externe 17. En coupe longitudinale, chaque patin 43, 45 présente une forme 20 sensiblement de T. Chaque patin 43 est positionné en vis-à-vis de chaque patin 45. Lorsque le turbopropulseur est à l'arrêt, les patins 45 de la paroi externe 17 sont en vis-à-vis des patins 43 de la paroi interne 15, mais ne sont pas en contact l'un avec l'autre, comme visible sur la figure 9. 25 Lorsque le turbopropulseur est en fonctionnement, la paroi externe de la tuyère, constituée par une peau en titane, se dilate plus fortement que la paroi interne de la tuyère, constituée par une peau métallique en Inconel, du fait de la différence entre les coefficients de dilatation thermique du titane et de l'Inconel. La paroi externe se déplace vers la paroi interne, ce qui entraîne un 30 déplacement des patins de la paroi externe en direction des patins de la paroi interne positionnés en vis-à-vis, créant en conséquence une pluralité de liaisons discrètes (non représentées) du type « appui plan » entre les patins de la paroi externe et ceux de la paroi interne. De manière préférée, il est recommandé de disposer une butée 47, 35 par exemple en carbone, entre les patins 43 et 45, de façon à permettre l'absorption des chocs entre les patins, et en conséquence de limiter l'usure des patins. La butée 47 est par exemple fixée sur le patin 43 de la paroi interne 15 au moyen d'un ensemble de vis 49. En prévoyant un ensemble de patins positionnés de façon à créer une pluralité de liaison appui-plan entre la paroi interne et la paroi externe de la tuyère, à la place de platines boulonnées entre elles tel que c'était le cas dans le premier mode de réalisation, on s'affranchit des problèmes de fluage qui pourraient survenir en raison de la différence entre les coefficients de dilatation différentielle entre l'Inconel et le titane. En outre, contrairement au mode de réalisation précédent, aucun 10 moyen de fixation entre les parois interne et externe n'est prévu. Afin de renforcer la tenue structurelle de la tuyère, les parois interne 15 et externe 17 comprennent chacune deux raidisseurs annulaires 51a, 51b, 52a, 52b disposés en vis-à-vis l'un de l'autre. Selon l'invention, et en se référant plus particulièrement aux figures 15 8 et 10, les patins 43, 45 sont répartis de façon discrète sur la circonférence de la tuyère, ce qui permet de prévoir une pluralité d'ouvertures 53 dans un plan transverse à l'axe longitudinal 34 de la tuyère. A titre d'exemple non limitatif, six ouvertures 53 et six ensembles de patins 43, 45 sont prévus sur la circonférence de la tuyère. 20 Le bord de fuite 54 de la tuyère 7 (visible sur la figure 7) est, comme précédemment, ouvert, ce qui permet d'assurer une bonne ventilation entre les parois. Comme précédemment, la paroi interne en Inconel est de manière préférée réalisée par un procédé de forgeage matriçage. 25 Grâce à la présente invention, il est désormais possible de prévoir une ventilation entre les parois interne et externe d'une tuyère, par exemple rotative, telle que celle prévue sur les turbopropulseurs du type « Open Rotor », c'est-à-dire présentant une soufflante non carénée en aval de la 30 nacelle et permettant de réduire la consommation de carburant. En prévoyant un tel système de ventilation, l'impact thermique sur la tuyère, dû au flux d'air chaud s'écoulant dans la tuyère est limité, ce qui permet d'assurer une bonne ventilation du moteur. 35 Enfin, comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation de cette tuyère, décrites ci-dessus uniquement à titre d'exemples illustratifs, mais elle embrasse au contraire toutes les variantes faisant intervenir les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Tuyère (7) pour turbopropulseur d'aéronef à soufflante non 5 carénée, comprenant : - une paroi interne (15), - une paroi externe (17) radialement éloignée par rapport à ladite paroi interne et concentrique avec ladite paroi interne, - une zone de jonction (27, 41) desdites parois interne et 10 externe, la tuyère étant caractérisée en ce que la zone de jonction (27, 41) comprend au moins une ouverture (35, 53) contenue dans un plan sensiblement transverse à un axe longitudinal (34) de ladite tuyère. 15 2. Tuyère (7) selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacune des parois (15, 17) de la tuyère comprend au moins une peau métallique en Inconel. 3. Tuyère (7) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la 20 zone de jonction (27) des parois interne (15) et externe (17) de la tuyère (7) comprend des moyens de liaison des parois de la tuyère, lesdits moyens comprenant, d'une part, au moins deux platines de liaison (29, 31) et, d'autre part, des moyens de fixation (33) desdites platines entre elles. 25 4. Tuyère (7) selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens de liaison sont répartis discrètement sur la circonférence de la tuyère, entre les parois interne (15) et externe (17) de la tuyère. 5. Tuyère (7) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la 30 paroi interne (15) de la tuyère est constituée par une peau métallique en Inconel et la paroi externe (17) de la tuyère est constituée par une peau en titane. 6. Tuyère (7) selon la revendication 5, caractérisée en ce que la 35 zone de jonction (41) des parois interne et externe de la tuyère comprend au moins un patin (43) solidaire de la paroi interne (15) et au moins un patin (45)solidaire de la paroi externe (17) de la tuyère et positionné en vis-à-vis dudit au moins un patin (43) de la paroi interne (15) de la tuyère. 7. Tuyère (7) selon la revendication 6, caractérisée en ce que les 5 patins (43) de la paroi interne (15) sont surmontés d'une butée (47), par exemple en carbone. 8. Tuyère (7) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la paroi interne (15) comprend au moins un raidisseur 10 annulaire (37, 51a, 51b) positionné en vis-à-vis d'au moins un raidisseur annulaire (39, 52a, 52b) de la paroi externe (17). 9. Tuyère (7) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la zone de jonction (27, 41) des parois interne (15) et 15 externe (17) est de préférence située au niveau d'une section aval (25) de la tuyère. 10. Procédé de fabrication d'une tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la peau métallique en Inconel de la 20 paroi interne (15) est obtenue par un procédé de forgeage matriçage.