Brevet FR3085438A1 — publié le 20200306

EMBOUCHURE D'EJECTION D'UN GAZ CHAUD A TRAVERS UNE PAROI DE MOTEUR D'AERONEF DESCRIPTION L'invention a trait à une embouchure d'éjection d'un gaz chaud à travers une paroi de moteur d'aéronef. Elle peut être employée à l'extrémité de conduits de gaz chaud de moteurs d'aéronef, qui appartiennent à des circuits d'échange de chaleur soutirant du gaz frais (généralement de l'air) d'une région relativement fraîche de l'aéronef, comme la veine secondaire quand elle existe ou les compresseurs de la veine principale, avant de lui 10 faire subir un échauffement dans un échangeur de chaleur avec une portion plus chaude du moteur qu'il convient de rafraîchir, ou un autre fluide (huile de lubrification ou gaz par exemple). Le gaz devenu chaud est ensuite rejeté dans un milieu extérieur par une embouchure, qu'on appelle aussi une grille d'éjection, composée d'une ou de plusieurs ouvertures traversant une paroi de l'aéronef, comme un capot externe de nacelle ou un 15 carter externe ou interne de stator. Il arrive que le gaz chaud soit rejeté à une température supérieure à celle qui peut être tolérée sans dommage par le matériau de la paroi, que le gaz chaud lèche avant d'être dispersé et qui subit donc des dégradations aux alentours des ouvertures de la grille d'éjection. 20 Un exemple d'une telle embouchure, éventuellement soumise à cette difficulté, peut être trouvé dans le document FR 3 015 569 A. On peut obvier à ce risque d'endommagement en imposant un décollement précoce du gaz chaud, afin de le maintenir à l'écart de la paroi à proximité de l'embouchure. On exploite l'écoulement d'un gaz plus frais qui circule normalement 25 sur la face externe de la paroi pendant le fonctionnement du moteur en maintenant une couche protectrice. Le gaz chaud subit un mélange rapide avec le gaz frais, et devient inoffensif avant de pouvoir revenir à la paroi. 2 Cet effet peut être procuré par des pièces appelées cheminées, qui sont placées sur les ouvertures en faisant saillie hors de la paroi dans le milieu frais d'éjection, et relâchent donc le gaz chaud à distance de la paroi, sur laquelle est maintenue la couche protectrice de gaz frais ambiant pendant le vol. Les cheminées peuvent être profilées de manière aérodynamique afin d'avoir une traînée réduite, mais qu'il n'est pas possible de supprimer complètement. Un inconvénient des cheminées saillantes est donc une diminution du rendement du moteur. L'invention repose sur l'idée que la protection de la paroi de la nacelle n'est pas nécessaire pendant toute la durée du vol, mais seulement dans certaines situations particulières de celui-ci, quand le moteur tourne à plein régime, alors qu'elle ne l'est pas en mode de croisière, où le débit de gaz chaud est quasiment nul. On a donc eu l'idée de tenir compte de ces conditions différentes à des régimes de vol différents pour adapter la conception du dispositif d'éjection. L'objectif de l'invention est de faire varier la hauteur de saillie des cheminées au-dessus de la paroi du moteur selon les circonstances et notamment le régime de vol, principalement pour réduire cette hauteur de saillie et la traînée correspondante dès qu'il est possible. Sous une forme générale, l'invention concerne une embouchure d'éjection du genre qui précède, et comprenant au moins une ouverture à travers la paroi, un conduit d'acheminement du gaz chaud menant à l'ouverture, et une cheminée associée à l'ouverture et en forme de manchon saillant hors de la paroi, caractérisée en ce que la cheminée est détachée de la paroi, engagée de manière mobile à travers l'ouverture, et pourvue d'un dispositif de commande de mouvement faisant varier une hauteur de saillie de la cheminée hors de la paroi. L'invention peut s'appliquer à une embouchure à ouverture unique. Mais les dispositifs usuels comprennent une pluralité de telles ouvertures composant une grille d'éjection, dont chacune est pourvue d'une cheminée telle que mentionnée ci-dessus. Il est alors conforme à une réalisation préférée de l'invention que les dispositifs de commande de mouvements des cheminées soient indépendants les uns des autres, 565732 FR JCI-P 3 afin de limiter les conséquences d'un mauvais fonctionnement éventuel à une seule des ouvertures. Selon un mode principalement envisagé, la cheminée est cylindrique, et le dispositif de commande est agencé pour lui imposer un mouvement de translation 5 perpendiculaire à la paroi en coulissant dans l'ouverture : les dispositifs correspondant sont particulièrement simples à concevoir et construire. Le terme cylindrique utilisé dans cette demande englobe toutes les formes de solide délimité par une surface dont les génératrices sont parallèles et par deux plans sensiblement parallèles. Ainsi la cheminée cylindrique peut avoir une section 10 circulaire, elliptique ou encore quelconque. Selon un second mode de réalisation, la cheminée est à section rectangulaire. Il est considéré comme intéressant que le moyen de commande ne dépende pas d'une action extérieure, originaire d'un autre système ou imposée par un 15 opérateur comme le pilote de l'aéronef, mais qu'une commande automatique soit au contraire appliquée. Avantageusement, le dispositif de commande comprend alors un moyen moteur sensible à une température, pour déployer ou rétracter la cheminée en fonction de la température qui est mesurée ou ressentie. Une prise de température peut être faite par un capteur tel qu'un 20 thermocouple positionné en surface du capot de la nacelle, qui commande un circuit d'alimentation d'un moteur d'actionnement du dispositif de commande. Mais un dispositif sans moteur caractérisé serait aussi avantageux : il pourrait consister en un actionneur inerte du mouvement de la cheminée, apte à subir un changement d'état selon une température. Les températures mentionnées ci-dessus sont des températures 25 représentatives de l'échauffement supposé de la paroi. Elles peuvent consister en la température de la paroi, notamment en aval de l'embouchure d'éjection du gaz chaud, ou la température du gaz dans le conduit. Une sécurité peut être procurée par un moyen de rappel de la cheminée à une position complètement déployée, c'est-à-dire à hauteur de saillie maximale hors de la paroi, en cas d'inactivité ou de défaillance du dispositif de commande. Le moyen de 4 rappel maintient alors la cheminée à l'état où elle protège au mieux la paroi en empêchant la retombée du gaz chaud sur elle. Avantageusement, la cheminée peut présenter une position complètement rétractée sous la paroi, correspondant donc à une hauteur de saillie nulle, 5 pour minimiser la traînée. Enfin, il est avantageux encore, pour permettre une commande simplifiée, que le mouvement de la cheminée soit basculant entre deux positions stables, d'après des franchissements d'un seuil de température, c'est-à-dire que la cheminée soit complètement déployée, soit complètement rétractée, les états intermédiaires n'étant 10 pas forcément intéressants. Les différents aspects, caractéristiques et avantages de l'invention seront maintenus décrits plus en détail, au moyen des figures suivantes, qui en illustrent certains modes de réalisation donnés à titre purement illustratif : - la figure 1 illustre la disparition d'une grille d'éjection sur un moteur 15 d'aéronef ; - la figure 2 schématise l'écoulement d'éjection ; - la figure 3 représente les écoulements de gaz à la grille ; - la figure 4 illustre l'effet de cheminées aux ouvertures de la grille ; - les figures 5 et 6 illustrent une première réalisation de l'invention à 20 deux états de fonctionnement ; - la figure 7 représente un dispositif de commande du mouvement de la cheminée ; - et les figures 8 et 9 illustrent une deuxième réalisation de l'invention à deux états de fonctionnement. 25 La figure 1 représente schématiquement un capot de nacelle enveloppant un moteur d'aéronef, dont la paroi 1 est munie d'une embouchure 2 par laquelle un circuit d'échange de chaleur 3 situé sous la paroi 1 débouche à l'extérieur d'elle, et éjecte un jet de gaz soutiré auparavant d'une autre partie du moteur et ayant participé à un échange de chaleur. On rappelle que l'invention n'est pas limitée à un 30 emploi sur un capot de nacelle, mais qu'elle peut concerner aussi d'autres capots, comme S65732 FR JCI-P 5 ceux de carters externes ou internes de stators. De même, le circuit d'échange de chaleur 3 peut provenir de divers endroits du moteur, son trajet n'est pas non plus imposé et l'échange de chaleur permet de refroidir un autre fluide qui est également indifférent. On se rapporte à la figure 2. Le circuit d'échange de chaleur 3 comporte 5 à son extrémité aval un conduit 4 qui s'étend sous une face interne 5 de la paroi 1. En s'approchant de celle-ci, le conduit 4 se divise en branches 6, distinctes ici les unes des autres, puis parallèles et à section d'abord diminuant, puis uniforme, avant d'atteindre la paroi 1 et l'embouchure 2 ; et les branches 6 se raccordent à la paroi 1, et communiquent à l'extérieur de celle-ci, par autant d'ouvertures 7 de l'embouchure 2, qui traversent la 10 paroi 1. Leur disposition est mieux visible à la figure 3. Les ouvertures 7 sont parallèles entre elles, se succèdent dans une direction transversale T (souvent la direction angulaire du moteur), et leur forme est oblongue, leur plus grande dimension étant dans une direction longitudinale ou d'allongement principal X, perpendiculaire à la précédente sur la paroi 1 (souvent la direction axiale du moteur). La longueur des ouvertures 7 dans la 15 direction X peut être comprise entre 100 mm et 450 mm ; la largeur des ouvertures 7 dans la direction T peut être comprise entre 5 mm et 30 mm ; celle de la grille d'éjection formée par l'embouchure 2 entre 250 mm et 600 mm ; et la surface totale de l'embouchure 2 peut varier entre 0,01 m2 et 0,25 m2 environ. Il n'existe toutefois pas de véritable limite dimensionnelle à l'application de l'invention. Et les ouvertures 7 sont 20 séparées par des lamelles 8 de la paroi 1 dont la largeur peut être comprise entre 0,5 fois et 3 fois la largeur des ouvertures 7, préférentiellement 1,0 fois. Le gaz chaud, souvent de l'air, qui est éjecté par le circuit 3 est donc divisé en filets chauds 9 qui empruntent respectivement les branches 6. Leur direction peut être d'abord en direction de hauteur R (perpendiculaire aux deux précédentes X et L, 25 et coïncidant souvent avec la direction radiale du moteur) en s'élevant au-dessous de la face externe 12, opposée à la face interne 5, de la paroi 1, avant de s'infléchir et de prendre une composante de mouvement dans la direction longitudinale X sous l'effet d'un écoulement 10 extérieur tangent à la paroi 1 (souvent dirigé vers l'aval du moteur) d'un gaz frais (souvent de l'air ambiant). Mais l'écoulement 10 se divise en filets frais 11, 30 passant autour des ouvertures 7 et sur les lamelles 8, en passant sur l'embouchure 2, 6 avec un débit important qui reste tangent à la paroi 1. Ce débit de gaz frais contrecarre le retour des filets chauds 9 sur la face externe 12 de la paroi 1 et la protège d'échauffements excessifs. De plus, la division des écoulements chauds et frais en filets entremêlés 9 et 11 favorise leur mélange plus rapide et donc la suppression des zones 5 chaudes à l'extérieur de l'embouchure 2. La figure 4 représente un aménagement possible d'une grille d'éjection à cheminée, dans lequel les ouvertures 7 et les branches 6 du circuit sont prolongées par des cheminées 13 saillant sur la face externe 12 de la paroi 1. La hauteur des cheminées 13 peut être typiquement de quelques millimètres ou quelques centimètres avec cette 10 disposition. Les filets chauds 9 sortent du circuit d'échange de chaleur 3 à distance de la paroi 1 par un bord supérieur 20 des cheminées 13, ce qui favorise le maintien des filets d'air frais entre les ouvertures 7. La description porte maintenant sur les figures 5 et 6. Les cheminées 13 ne sont pas fixées à la structure du moteur et en particulier à la paroi 1, mais au contraire 15 sont détachées d'elle, et chacune consiste en un manchon de forme cylindrique, c'est-à- dire avec une section constante, identique à celle de l'ouverture 7 à un petit jeu près, engagé à travers l'ouverture 7. Leur section peut être rectangulaire, avec notamment deux côtés longs rectilignes et parallèles dans la direction axiale X comme la figure 3 le représente, et deux côtés courts arrondis. Elles sont de plus mobiles. Leur mouvement est 20 avantageusement coulissant et accompli par un dispositif de commande 14 comprenant, dans un boîtier 15 articulé à un point fixe 16 de la structure du moteur d'aéronef, un moteur électrique 17, des engrenages 18 de transmission du mouvement, et une vis sans fin 19 engrenant avec la transmission 18, perpendiculaire à la paroi 1 et articulée à la cheminée 13. 25 Le dispositif de commande 14 impose à la cheminée 13 un mouvement de translation dans la direction de la vis sans fin 19 qui a pour effet de la faire coulisser dans la branche 6 en faisant varier sa hauteur de saillie H au-dessus de la face externe 12 entre une valeur maximale, correspondant à une position complètement déployée représentée à la figure 5, et une valeur minimale dans laquelle la hauteur de saillie peut 30 d'ailleurs être nulle, c'est-à-dire que la cheminée 13 est alors complètement rétractée S65732 FR JCI-P 7 dans la branche 6 et la face externe 12 est lisse (figure 6). La première position est utilisée lorsque la paroi 1 subit de très fortes températures lors de l'éjection de gaz très chaud, alors que la seconde position l'est dans les autres circonstances, quand les besoins de rafraîchissement du moteur d'aéronef sont moindres et que le débit de gaz chaud est 5 moins important, ou que le gaz est à une température moindre. Le dispositif de commande 14 peut être commandé par les moyens représentés à la figure 7, comprenant un circuit électrique 21 où un thermocouple 22, qui est un capteur de température positionné (par exemple) sur la face externe 12 de la paroi 1 en aval des ouvertures 7 de l'embouchure 2 , commande deux commutateurs 23 10 et 24 aptes à placer les bornes 25 du moteur électrique 17 à l'un ou l'autre des pôles positif ou négatif d'une différence de potentiel constante 26. Le circuit électrique 21 permet donc de faire tourner le moteur électrique 17 dans un sens ou dans Vautre. La commutation est faite quand le thermocouple 22 détecte qu'une température de la paroi 1 devient supérieure ou inférieure à une valeur de seuil. 15 Le circuit électrique 21 est complété par des contacts de fin de course 27 et 28 établis aux bornes du moteur 17 et qui ouvrent le circuit électrique 21 pour arrêter le mouvement quand une limite est atteinte. On obtient alors un dispositif purement passif en ce qu'il n'impose aucune commande extérieure, mais qui est simple et fiable. Et ce dispositif est bistable entre la position complètement déployée et la 20 position complètement rétractée, ce qui est satisfaisant car les déploiements intermédiaires sont peu intéressants dans cette application, et permet de sauvegarder la robustesse du dispositif. Un autre dispositif de commande 29, possédant certaines propriétés analogues mais de constitution encore plus simple, est décrit au moyen des figures 8 et 9. 25 Il comprend une structure déformable 30 montée à une structure fixe 31 du moteur, et porteuse d'une tige 32 lisse remplaçant la vis sans fin 19 et porteuse de la cheminée 13. La structure déformable 30 est bistable entre deux états où elle a des formes différentes, en imposant donc deux positions de déploiement différentes à la cheminée 13 comme précédemment. La structure déformable 30 peut être construite en bilame de thermostat 30 en un alliage à mémoire de forme. Le basculement d'un état à un autre peut être 8 commandé (par exemple) par la température du gaz chaud, la structure déformable 30 étant exposée à ce gaz par un conduit de communication 33 donnant dans le conduit 4. On a constaté un gain significatif de consommation de carburant par les moteurs équipés de l'invention, grâce à la possibilité de rétracter les cheminées 13 dans 5 la plupart des régimes de vol, malgré l'augmentation de poids imposée par les dispositifs de commande 14. La fiabilité de ces derniers est bonne grâce à leur robustesse. Il est par ailleurs possible, dans certaines conceptions, d'ajouter un dispositif de rappel (34 aux figures 5 et 6) se présentant sous la forme d'un ressort qui tend à déplacer la cheminée 13 vers sa position complètement déployée, qui est donc une position de sûreté 10 empêchant en toute circonstance les détériorations de la paroi 1. La force du ressort 34 peut toutefois être vaincue par le moteur 17, de sorte que le fonctionnement du dispositif n'est pas entravé et que la position complètement déployée est forcée seulement en cas d'avarie ou d'inactivité quelconque du dispositif de commande (panne du moteur ou détérioration de la transmission 18 par exemple). Il faut alors que la liaison 15 entre la transmission 18 et la vis sans fin 19 soit cinématiquement réversible. Dans le cas usuel d'une pluralité d'ouvertures 7, chacune est avantageusement commandée par un dispositif indépendant semblable à ceux qu'on a décrits, de façon qu'une défaillance de l'un d'eux reste localisée à l'ouverture REVENDICATIONS1. Embouchure (2) d'éjection d'un gaz chaud à travers une paroi (1) de moteur d'aéronef, comprenant au moins une ouverture (7) à travers la paroi, un conduit d'acheminement (4, 6) du gaz chaud menant à l'ouverture (7), et une cheminée (13) associée à l'ouverture et en forme de manchon saillant hors de la paroi (1), caractérisée en ce que la cheminée est détachée de la paroi, engagée de manière mobile à travers l'ouverture (7), et pourvue d'un dispositif de commande (14; 30) de mouvement faisant varier une hauteur de saillie (H) de la cheminée hors de la paroi. 2. Embouchure d'éjection selon la revendication 1, comprenant une pluralité de dites ouvertures (7) pourvues chacune d'une dite cheminée (13) et réparties sur la paroi (1), caractérisée en ce que les dispositifs de commande de mouvement des cheminées sont indépendants les uns des autres. 3. Embouchure d'éjection selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la cheminée (13) est cylindrique, et le dispositif de commande est agencé pour lui imposer un mouvement de translation perpendiculaire à la paroi (1) en coulissant dans l'ouverture. 4. Embouchure d'éjection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le dispositif de commande comprend un moyen moteur (17, 22 ; 30) sensible à une température, à l'exclusion de toute commande volontaire. 5. Embouchure d'éjection selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de commande comprend un capteur (22) de ladite température, et un moteur électrique (17) commandé par le capteur. 6. Embouchure d'éjection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le dispositif de commande comprend un actionneur (30) inerte changeant d'état selon une température. 7. Embouchure d'éjection selon la revendication 4 ou 6, caractérisée en ce que la température est soit une température de la paroi (1) en aval de l'ouverture (7), soit une température du gaz chaud dans le conduit (4). 10 8. Embouchure d'éjection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen de rappel (34) de la cheminée (13) à une position complètement déployée à hauteur de saillie maximale hors de la paroi, en cas d'inactivité ou de défaillance du dispositif de commande. 5 9. Embouchure d'éjection selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la cheminée est mobile avec une position complètement rétractée sous la paroi, à hauteur de saillie (H) nulle. 10. Embouchure d'éjection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le mouvement est basculant entre deux positions 10 stables de la cheminée, d'après des franchissements d'un seuil de température de la paroi (1) ou du gaz chaud dans le conduit (4).