Brevet FR3115834A1 — publié le 20220506

L’invention se rapporte à une tuyère (28) d’éjection des gaz de combustion à géométrie variable, la tuyère comprenant un carter (30), des volets (32a, 32b) pivotants, et des moyens (40, 60) de commande en pivotement des volets, de manière à faire varier la section de passage des gaz de combustion définie par ces volets. Selon l’invention, les moyens de commande comprennent un anneau de commande (40) monté rotatif sur le carter (30), et chaque volet commandé (32a) est pourvu d’un organe de guidage (60) dont une extrémité (64) est guidée par l’anneau de commande (40) le long d’un chemin de guidage (66), dont la forme est conçue de manière à ce que la rotation de l’anneau (40) entraîne un pivotement du volet (32a) et de son organe de guidage associé (60). Figure pour l’abrégé : Figure 3 TUYÈRE D’ÉJECTION DES GAZ DE COMBUSTION À GÉOMÉTRIE VARIABLE, POUR TURBORÉACTEUR D’AÉRONEF La présente invention se rapporte au domaine des turboréacteurs destinés à la propulsion des aéronefs, notamment les aéronefs aptes au vol supersonique. L’invention concerne plus particulièrement les tuyères d’éjection des gaz de combustion à géométrie variable, comprenant des volets commandés en pivotement de manière à faire varier la section de passage des gaz de combustion. Une telle tuyère est par exemple connue du document FR 2 617 910 A1. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les turboréacteurs destinés au vol supersonique comprennent en général un canal de circulation des gaz de combustion, dit également canal de postcombustion. L’extrémité aval de ce canal est formée par une tuyère comprenant un carter portant des volets pivotants, capables de faire varier la section de passage des gaz de combustion. En effet, pour être efficace aux différentes vitesses auxquelles un aéronef supersonique est susceptible de voler, une telle tuyère présente une géométrie variable, permettant ainsi de faire varier la section de passage de la tuyère, ainsi que la position et la forme du col de la tuyère définissant cette section de passage. A cet effet, une telle tuyère comporte habituellement un ensemble de volets pivotants, destinés à canaliser le flux de gaz sortant du turboréacteur. Pour la commande en pivotement de ces volets, il est généralement prévu un vérin de commande associé à chacun d’eux. Cette conception classique se révèle assez encombrante et coûteuse. De plus, des problèmes de synchronisation peuvent être observés entre les différents vérins de commande des volets, générant ainsi des risques de charges mal réparties sur ces vérins et/ou volets, susceptibles d’accélérer leur usure. L’invention a notamment pour but de résoudre au moins partiellement les problèmes identifiés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l’art antérieur. Pour ce faire, l’invention a tout d’abord pour objet une tuyère d’éjection des gaz de combustion à géométrie variable, pour turboréacteur d’aéronef, la tuyère comprenant un carter centré sur un axe central longitudinal de la tuyère, ainsi que des volets commandés et des volets dits suiveurs, chacun de ces volets étant monté pivotant sur le carter selon un axe de pivotement de volet, la tuyère comprenant également des moyens de commande en pivotement desdits volets, de manière à faire varier la section de passage des gaz de combustion définie par ces volets. Selon l’invention, les moyens de commande comprennent un anneau de commande monté rotatif sur le carter, selon l’axe central longitudinal de la tuyère, et chaque volet commandé est pourvu d’un organe de guidage dont une extrémité est guidée par l’anneau de commande le long d’un chemin de guidage, dont la forme est conçue de manière à ce que la rotation de l’anneau de commande selon l’axe central longitudinal entraîne un pivotement du volet et de son organe de guidage associé, selon l’axe de pivotement du volet. Cette conception spécifique à l’invention permet à plusieurs volets, voire à la totalité d’entre eux, d’être commandés par le même anneau de commande. Il en découle en gain d’encombrement et de coût, notamment grâce à la possible réduction du nombre d’organes d’entraînement du type vérin ou moteur pour la mise en rotation de l’anneau, ce nombre étant préférentiellement inférieur au nombre de volets de la tuyère à géométrie variable. De plus, l’anneau de commande permet une parfaite synchronisation de la commande des différents volets, limitant ainsi les risques de mauvaise répartition des charges et d’usure accélérée des composants. L’invention présente de préférence au moins l’une des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison. De préférence, chaque chemin de guidage est défini par une lumière ou une rainure réalisée dans l’anneau de commande. D’autres formes restent néanmoins possibles, sans sortir du cadre de l’invention. De préférence, chaque lumière / rainure est d’orientation oblique par rapport à un plan normal à l’axe central longitudinal. De préférence, l’extrémité de l’organe de guidage est formée par une rotule, dont un élément extérieur de rotule est maintenu guidé dans la lumière / rainure. Etant donné que le déplacement de l’extrémité de l’organe de guidage dans la lumière / rainure s’accompagne d’un pivotement de l’ensemble de l’organe de guidage selon l’axe de pivotement du volet, cette réalisation avec la rotule permet avantageusement de limiter les frottements et les risques de coincement. De préférence, la tuyère comprend au moins un organe d’entraînement en rotation de l’anneau de commande, et de préférence un nombre d’organes d’entraînement en rotation inférieur au nombre de chemins de guidage définis par l’anneau, ce nombre d’organes d’entraînement en rotation de l’anneau de commande étant préférentiellement prévu entre un et quatre. Dans ce contexte, chaque organe d’entraînement en rotation de l’anneau est préférentiellement formé par un vérin ou un moteur, de préférence par un moteur électrique. De préférence, chaque organe d’entraînement en rotation de l’anneau coopère avec une couronne dentée centrée sur l’axe central longitudinal de la tuyère, et de préférence rapportée sur l’anneau de commande, par exemple par frettage. Cette solution en deux parties distinctes rapportées l’une sur l’autre permet de faciliter la fabrication et le montage de l’anneau de commande. Une réalisation de la couronne dentée d’une seule pièce avec l’anneau de commande reste néanmoins envisageable, sans sortir du cadre de l’invention. De préférence, les volets suiveurs sont entraînés en pivotement par les volets commandés. De plus, les volets commandés et suiveurs sont agencés selon une rangée annulaire en se recouvrant circonférentiellement partiellement les uns les autres, et les volets suiveurs et les volets commandés sont agencés en alternance selon la direction circonférentielle. De préférence, le chemin de guidage présente une forme permettant de faire évoluer la position axiale de la seconde extrémité de l’organe de guidage relativement au carter, en fonction de la position de cette seconde extrémité le long du chemin de guidage. L’invention a également pour objet un turboréacteur d’aéronef comprenant une tuyère d’éjection des gaz de combustion à géométrie variable, telle que celle décrite ci-dessus. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; est une demi-vue schématique en section axiale d’un turboréacteur d’aéronef, comprenant une tuyère d’éjection des gaz de combustion selon l’invention ; est une demi-vue plus détaillée en section axiale de la tuyère d’éjection des gaz de combustion, selon un mode de réalisation préféré de l’invention ; est une vue en perspective de la tuyère montrée sur la ; est une vue agrandie en perspective d’une partie de la tuyère montrée sur les figures 2 et 3, montrant la coopération entre l’anneau de commande et un organe de guidage associé à l’un des volets de la tuyère ; est une vue en plan montrant la coopération entre l’anneau de commande et un organe de guidage associé à l’un des volets de la tuyère, selon une alternative de réalisation ; et est une vue en perspective de la tuyère montrée sur la , dans une autre configuration de fonctionnement. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS La illustre un turboréacteur 10, par exemple à double corps et à double flux, destiné à la propulsion d’un aéronef apte au vol supersonique, et donc destiné en particulier à être installé dans le fuselage d’un tel aéronef. Dans l’ensemble de cette description, la direction axiale X est la direction de l’axe central longitudinal 11 du turboréacteur. La direction radiale R est en tout point une direction orthogonale à l’axe central longitudinal 11 et passant par ce dernier, tandis que la direction circonférentielle C est en tout point une direction orthogonale à la direction radiale R et à l’axe central longitudinal 11. En outre, les qualificatifs « amont » et « aval » sont définis par référence à une direction générale D de l’écoulement des gaz dans le turboréacteur 10. Le turboréacteur 10 comprend, de l’amont vers l’aval, une entrée d’air 12, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20, une turbine basse pression 22, un canal de postcombustion 26, et une tuyère 28 d’éjection des gaz de combustion agencée à l’extrémité aval du canal 26. A l’extrémité amont du canal de postcombustion 26, il est prévu des bras radiaux accroche-flammes 13. La tuyère 28 est à géométrie variable, comme cela sera décrit ci-après. Elle est du type « convergente », mais pourrait alternativement adopter une autre conception connue, dite « convergente-divergente ». De manière classique, le compresseur haute pression 16, la chambre de combustion 18, et les turbines haute pression 20 et basse pression 22 définissent une veine primaire PF. Cette dernière est entourée par une veine secondaire SF de la turbomachine qui s’étend de l’amont vers l’aval à partir d’une sortie du compresseur basse pression. Ainsi, en fonctionnement, de l’air F1 qui est entré par l’entrée d’air 12 et qui a été comprimé par le compresseur basse pression 14, se divise ensuite en un flux primaire F2 qui circule dans la veine primaire et en un flux secondaire F3 qui circule dans la veine secondaire. Le flux primaire F2 est alors comprimé davantage dans le compresseur haute pression 16, puis mélangé à du carburant et enflammé dans la chambre de combustion 18, avant de subir une détente dans la turbine haute pression 20 puis dans la turbine basse pression 22. Le flux de gaz F4, constitué par le mélange des gaz de combustion issus de la veine primaire, et du flux secondaire F3, circule ensuite dans le canal de postcombustion 26. Il s’échappe ensuite du turboréacteur 10 au travers de la tuyère 28, dite tuyère d’éjection des gaz de combustion. En régime de fonctionnement avec postcombustion, par exemple pour propulser un aéronef à des vitesses supersoniques, du carburant est mélangé au flux de gaz F4 au sein du canal de postcombustion 26, et le mélange ainsi constitué est enflammé au sein de ce canal de postcombustion, afin de générer un surcroît de poussée. La configuration convergente de la tuyère 28 permet alors d’accélérer le flux de gaz F4 à des vitesses supersoniques. Les figures 2 et 3 représentent la tuyère 28 à géométrie variable, selon un mode de réalisation préféré de l’invention. La tuyère 28 comporte tout d’abord un carter 30 centré sur l’axe 11, correspondant aussi à l’axe central longitudinal de la tuyère. Ce carter 30 délimite une partie du canal de postcombustion 26. Il est prolongé vers l’aval par une rangée annulaire de volets de tuyère 32a, 32b, chacun monté pivotant sur l’extrémité aval du carter, selon un axe de pivotement 34 orienté de préférence circonférentiellement. Tous les axes de pivotement 34 des volets sont ainsi agencés dans un même plan transversal de la tuyère, c’est-à-dire un plan orthogonal à la direction axiale X. Les volets 32a, 32b sont dits volets internes ou volets chauds, car ils participent à la délimitation d’un canal de circulation de gaz de combustion 39, qui correspond à une partie d’extrémité aval du canal de postcombustion 26. Les volets 32a, 32b permettent ainsi de canaliser le flux de gaz F4 en sortie du turboréacteur 10 en fonctionnement. Les volets 32a, 32b sont articulés de manière à pouvoir être déplacés dans différentes configurations, entre une première configuration angulaire extrême dans laquelle les volets convergent au maximum pour définir une section de passage minimale pour les gaz de combustion, et une deuxième configuration angulaire extrême dans laquelle les volets définissent une section de passage maximale pour les gaz de combustion. La première configuration angulaire extrême est représentée sur les figures 2 et 3, montrant la section de passage minimale « Smin » pour les gaz de combustion, tandis que la deuxième configuration angulaire extrême est représentée sur la montrant la section de passage maximale « Smax » pour ces mêmes gaz. Dans ce mode de réalisation préféré de l’invention, les volets sont répartis en deux ensembles, à savoir les volets commandés 32a et les volets dits suiveurs 32b, ces derniers étant entraînés en pivotement par les volets commandés 32a. Sur les figures 3 et 6, les volets commandés 32a ont été identifiés par des traits épais, tandis que les volets suiveurs 32b ont été identifiés par des traits plus fins. Ici, les volets 32a, 32b sont agencés selon une rangée annulaire centrée autour de l’axe central longitudinal 11, en se recouvrant circonférentiellement partiellement les uns les autres. L’étendue du recouvrement est bien évidemment plus importante dans la première configuration angulaire extrême, amenant les volets 32a, 32b à converger davantage. De plus, au sein de cette rangée annulaire, les volets suiveurs 32b sont préférentiellement agencés en alternance avec les volets commandés 32a, le long de la direction circonférentielle C. Le caractère suiveur des volets 32b est ainsi obtenu par l’alternance et par le recouvrement circonférentiel de tous ces volets 32a, 32b, puisque le pivotement des volets commandés 32a est ainsi capable d’entraîner le pivotement des volets suiveurs 32b, par simples appuis. Néanmoins, d’autres techniques d’entraînement entre les volets commandés 32a et les volets suiveurs 32b peuvent être adoptées, sans sortir du cadre de l’invention. L’une des particularités de l’invention réside dans la conception des moyens de commande en pivotement des volets, visant à faire varier la section de passage des gaz de combustion au niveau de l’extrémité aval de ces volets 32a, 32b, c’est-à-dire au niveau du col de la tuyère. Ces moyens comprennent tout d’abord un anneau de commande 40, centré sur l’axe 11 et monté rotatif autour du carter 30. Plus précisément, l’anneau 40 est monté sur des coussinets autolubrifiants 42 à collerette axiale 44. Les collerettes 44 sont déterminées de manière à pouvoir résister aux éventuelles sollicitations axiales provenant des volets et de la partie amont du turboréacteur. Néanmoins, un jeu axial minimal est requis entre l’anneau 40 et les collerettes 44, pour éviter les coincements lors de la rotation de l’anneau. Ce jeu est ajusté à l’aide d’une cale de réglage 46, assemblée via un couvercle annulaire 48 dont une extrémité est agencée axialement en regard de l’une des deux collerettes 44. Afin de permettre la rotation de l’anneau 40 selon l’axe 11, relativement au carter 30, il est prévu une couronne dentée 50 agencée autour de cet anneau, en étant centrée sur l’axe 11. La couronne 50 est préférentiellement rapportée par frettage autour de l’anneau 40. Elle coopère avec un ou plusieurs organes d’entraînement 52 dont un arbre de sortie est couplé à un pignon 54, engrenant avec la couronne 50. Les organes d’entrainement 52 sont préférentiellement des moteurs électriques, tels que des motoréducteurs avec frein mécanique intégré. Un seul moteur 52 peut suffire, mais il pourrait alternativement être prévu plusieurs moteurs agencés de manière uniforme autour de l’axe 11 pour coopérer avec la même couronne dentée 50, par exemple deux moteurs répartis à 180°, trois moteurs répartis à 120°, quatre moteurs répartis à 90°, etc. Alternativement, le / les moteurs peuvent être remplacés par un / des vérins hydrauliques, sans sortir du cadre de l’invention. De manière générale, il est préférentiellement prévu qu’indépendamment de la nature retenue pour les organes d’entrainement 52, leur nombre soit inférieur au nombre de volets commandés 32a, de manière à réduire l’encombrement global des moyens de commande de ces volets. En sus de l’anneau 40 agencé à l’extrémité aval du carter 30, les moyens de commande en pivotement des volets comprennent également un organe de guidage 60 associé à chaque volet commandé 32a. Les organes de guidage 60 sont préférentiellement les mêmes pour chaque volet commandé 32a. Ils présentent globalement une forme de pion ou de doigt orienté sensiblement orthogonalement aux volets auxquels ils sont respectivement associés, cette orientation étant donc globalement radiale. Chacun de ces organes de guidage 60 présente une première extrémité 62 solidaire du volet, cette extrémité pouvant même être réalisée d’une seule pièce avec le volet. Une seconde extrémité 64 de cet organe de guidage, opposée à la première, présente la particularité d’être guidée dans une lumière de guidage 68 pratiquée sur l’anneau 40. La lumière 68 est ainsi traversante, mais il pourrait alternativement s’agir d’une rainure non traversante pratiquée sur le même anneau 40. La lumière 68 s’étend le long d’un chemin de guidage 66, le long duquel la seconde extrémité 64 de l’organe 60 est guidée par cette lumière. La seconde extrémité 64 peut adopter une forme sphérique ou une forme similaire, en étant de préférence retenue dans la lumière 68 selon la direction de l’épaisseur de cette dernière, dans les deux sens. La forme du chemin de guidage 66, et de la lumière de guidage 68 qui en découle, est conçue de manière à ce que la rotation de l’anneau de commande 40 selon l’axe 11 entraîne un pivotement du volet 32a et de son organe de guidage associé 60, selon l’axe de pivotement du volet correspondant 34. Cette forme du chemin de guidage 66 et de la lumière 68 est oblique par rapport à un plan normal à l’axe 11, comme visible sur la . Plus précisément, le chemin de guidage 66 présente une forme permettant de faire évoluer la position axiale de la seconde extrémité 64 relativement au carter 30, en fonction de la position de cette seconde extrémité le long du chemin de guidage 66. En d’autres termes, au fur et à mesure que la seconde extrémité 64 se déplace circonférentiellement dans la lumière 68, dans un sens circonférentiel donné, elle se déplace également axialement, selon un sens axial donné. Il est observé qu’au cours de ce déplacement simultané selon la direction circonférentielle C et la direction axiale X, la seconde extrémité 64 présente également une position évolutive selon la direction radiale R, puisque cette seconde extrémité 64 pivote selon l’axe de pivotement 34 en même temps que le volet 32a. Le chemin de guidage 66 peut ainsi adopter une forme complexe, permettant de faire varier la position de la seconde extrémité 64 de l’organe de guidage 60 dans les trois directions X, C et R, de sorte que ce chemin puisse assurer la fonction désirée de convertisseur de mouvement, destiné à convertir la rotation de l’anneau de commande 40 autour de l’axe 11 en un pivotement du volet 32a autour de l’axe 34. Préférentiellement, la seconde extrémité 64 de l’organe de guidage 60 est prévue pour coulisser dans la lumière 68 au cours du changement de configuration de la tuyère, de préférence en glissant dans cette même lumière. De plus, il est indiqué que toutes les lumières 68 de l’anneau de commande 40 sont préférentiellement de forme identique, et que l’espacement circonférentiel entre ces lumières 68 correspond à l’espacement circonférentiel entre les organes de guidage 60 avec lesquels elles coopèrent. Sur la , l’organe de guidage 60 diffère de celui décrit précédemment en ce que sa seconde extrémité 64 est formée par une rotule, comprenant un élément sphérique intérieur 64b ainsi qu’un élément extérieur de rotule 64a maintenu guidé dans la lumière 68. Pour assurer ce maintien dans la lumière 68 selon la direction de l’épaisseur de cette dernière, dans les deux sens, l’élément extérieur de rotule 64a peut présenter une forme de galet guidé en deux portions diamétralement opposées, respectivement par deux rainures 70 formant les flancs latéraux de la lumière 68. Cette rotule peut par exemple prendre la forme d’un roulement sphérique, avec la bague extérieure 64a en forme de galet. Sur l’alternative montrée sur la , la seconde extrémité 64 de l’organe de guidage 60 est préférentiellement montée de manière réversible sur le corps 76 de cet organe, par exemple à l’aide d’un ou plusieurs éléments vissés 74. Cette conception facilite le remplacement de la seconde extrémité 64 correspondant à l’élément le plus sollicité de l’organe de guidage, du fait de son glissement dans la lumière 68 de l’anneau de commande 40. A titre indicatif, il est noté que dans les modes de réalisation qui viennent d’être décrits, les organes de guidage 60 font saillie des volets commandés 32a radialement vers l’extérieur. Alternativement, ils pourraient être agencés de manière à faire saillie radialement vers l’intérieur à partir de ces volets 32a, et coopérer avec l’anneau de commande 40 déplacé en conséquence. Selon encore une alternative envisageable, chaque volet commandé 32a pourrait être associé à deux organes de guidage 60 agencés symétriquement de part et d’autre de ce volet, de manière à coopérer avec des lumières 68 distinctes mais de même forme. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l’homme du métier à l’invention qui vient d’être décrite, uniquement à titre d’exemples non limitatifs, et dans la limite de la portée définie par les revendications annexées. Notamment, l’invention est applicable à tout type de turboréacteur comprenant une tuyère de type convergente ou convergente-divergente à géométrie variable, formant une portion d’extrémité aval d’un canal de postcombustion. Tuyère (28) d’éjection des gaz de combustion à géométrie variable, pour turboréacteur d’aéronef, la tuyère comprenant un carter (30) centré sur un axe central longitudinal (11) de la tuyère, ainsi que des volets commandés (32a) et des volets dits suiveurs (32b), chacun de ces volets (32a, 32b) étant monté pivotant sur le carter (30) selon un axe de pivotement de volet (34), la tuyère comprenant également des moyens (40, 60) de commande en pivotement desdits volets, de manière à faire varier la section de passage des gaz de combustion définie par ces volets, caractérisée en ce que les moyens de commande comprennent un anneau de commande (40) monté rotatif sur le carter (30), selon l’axe central longitudinal (11) de la tuyère, et en ce que chaque volet commandé (32a) est pourvu d’un organe de guidage (60) dont une extrémité (64) est guidée par l’anneau de commande (40) le long d’un chemin de guidage (66), dont la forme est conçue de manière à ce que la rotation de l’anneau de commande (40) selon l’axe central longitudinal (11) entraîne un pivotement du volet (32a) et de son organe de guidage associé (60), selon l’axe de pivotement (34) du volet. Tuyère selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque chemin de guidage (66) est défini par une lumière (68) ou une rainure réalisée dans l’anneau de commande (40). Tuyère selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque lumière / rainure (68) est d’orientation oblique par rapport à un plan normal à l’axe central longitudinal (11). Tuyère selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que l’extrémité (64) de l’organe de guidage (60) est formée par une rotule, dont un élément extérieur de rotule (64a) est maintenu guidé dans la lumière / rainure (68). Tuyère selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un organe d’entraînement en rotation (52) de l’anneau de commande (40), et de préférence un nombre d’organes d’entraînement en rotation (52) inférieur au nombre de chemins de guidage (66) définis par l’anneau (40), ce nombre d’organes d’entraînement en rotation (52) de l’anneau de commande étant préférentiellement prévu entre un et quatre. Tuyère selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque organe d’entraînement en rotation (52) de l’anneau de commande (40) est formé par un vérin ou un moteur, de préférence par un moteur électrique. Tuyère selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisée en ce que chaque organe d’entraînement en rotation (52) de l’anneau de commande (40) coopère avec une couronne dentée (50) centrée sur l’axe central longitudinal (11) de la tuyère, et de préférence rapportée sur l’anneau de commande (40). Tuyère selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les volets suiveurs (32b) sont entraînés en pivotement par les volets commandés (32a), en ce que les volets commandés et suiveurs (32a, 32b) sont agencés selon une rangée annulaire en se recouvrant circonférentiellement partiellement les uns les autres, et en ce que les volets suiveurs (32b) et les volets commandés (32a) sont agencés en alternance selon la direction circonférentielle (C). Tuyère selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le chemin de guidage (66) présente une forme permettant de faire évoluer la position axiale de la seconde extrémité (64) de l’organe de guidage (60) relativement au carter (30), en fonction de la position de cette seconde extrémité (64) le long du chemin de guidage (66). Turboréacteur d’aéronef (10) comprenant une tuyère (28) d’éjection des gaz de combustion à géométrie variable, selon l’une quelconque des revendications précédentes.