FR3116085A1

FR3116085A1 - Partie arriere de turboreacteur comprenant une tuyere dont des volets comprennent des leviers relies a un anneau de synchronisation par des biellettes

Info

Publication number: FR3116085A1
Application number: FR2011436A
Authority: FR
Inventors: Thierry KOHN; Frédéric Paul Eichstadt; Paul François JANTAC; Brice Marie Yves Emile LE PANNERER
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2020-11-09
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2040-11-09
Also published as: FR3116085B1; WO2022096838A1

Abstract

Une partie arrière de turboréacteur comprend une tuyère à géométrie variable comprenant un anneau de synchronisation (82), des moyens moteurs pour déplacer l’anneau de synchronisation en translation longitudinale, par rapport à une structure statorique amont (38), et des moyens de liaison reliant l’anneau de synchronisation (82) à des volets convergents (30) commandés, pour commander une variation géométrique de la tuyère. Les volets convergents commandés comprennent chacun un levier (80), et les moyens de liaison comprennent des biellettes (88) ayant chacune une première extrémité (88A) articulée au levier (80) d’un volet convergent commandé correspondant et une seconde extrémité (88B), opposée, articulée à l’anneau de synchronisation (82). Il en résulte la possibilité d’exploiter de manière optimale les moyens moteurs, et de limiter l’encombrement et la masse des moyens assurant la commande des volets. Figure pour l’abrégé : Figure 3

Description

Partie arrière de turboréacteur comprenant une tuyère dont des volets comprennent des leviers reliés à un anneau de synchronisation par des biellettes

La présente invention se rapporte au domaine des tuyères à géométrie variable des turboréacteurs destinés à la propulsion des aéronefs.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Les turboréacteurs destinés au vol supersonique comprennent en général un canal de postcombustion dont la sortie est délimitée par une tuyère axisymétrique à géométrie variable, c'est-à-dire capable d’adapter sa géométrie aux différentes vitesses auxquelles est susceptible de voler un tel aéronef.

À cet effet, une telle tuyère comprend au moins un ensemble de volets internes mobiles, dits volets convergents, répartis autour de l’axe longitudinal du turboréacteur et ayant chacun une extrémité amont articulée sur une structure interne du carter, chacun des volets convergents comprenant un panneau destiné à canaliser le flux d’air d’échappement au sein de la tuyère. Une telle tuyère comprend en outre un système de commande des volets convergents apte à entraîner un pivotement de ces derniers autour de leurs axes d’articulation au carter de manière synchronisée.

Bien souvent, les tuyères destinées au vol supersonique comprennent en outre un autre ensemble de volets internes mobiles, dits volets divergents, répartis autour de l’axe longitudinal, comprenant chacun un panneau destiné à canaliser le flux d’air d’échappement au sein de la tuyère, et ayant des extrémités amont respectives articulées sur des extrémités aval des volets convergents, moyennant quoi une telle tuyère est appelée tuyère convergente-divergente. Dans ce cas, le système de commande est en outre configuré pour asservir les positions des volets divergents à celles des volets convergents. Un tel système permet ainsi de faire varier de façon continue les inclinaisons respectives des volets convergents par rapport à l’axe longitudinal du turboréacteur, et d’y faire correspondre des inclinaisons des volets divergents, par rapport à cet axe, suivant une loi univoque déterminée. Une telle tuyère permet ainsi notamment de faire varier la position et la forme du col de la tuyère.

Il est à noter que le qualificatif « divergent » n’exclut pas que les volets concernés puissent adopter des orientations parallèles à l’axe longitudinal ou même convergentes dans certaines phases de fonctionnement. De même, notamment dans le cas de tuyères ne comportant pas de volets divergents, il est possible que les volets convergents adoptent des orientations parallèles à l’axe longitudinal ou même divergentes dans certaines phases de fonctionnement.

Dans ce contexte, il existe un besoin pour une tuyère à géométrie variable dont le système de commande des volets internes mobiles soit efficace et peu encombrant dans la direction radiale afin de permettre son intégration dans un espace limité.

L’invention a notamment pour but de répondre de manière simple, économique et efficace à ce besoin.

Elle propose à cet effet une partie arrière de turboréacteur, comprenant :
- une structure statorique amont ;
- une tuyère à géométrie variable comprenant un ensemble de volets convergents répartis autour d’un axe longitudinal de la partie arrière de turboréacteur, comprenant chacun un panneau destiné à canaliser un flux d’air d’échappement au sein de la tuyère, et ayant chacun une extrémité amont articulée sur la structure statorique amont ;
- un anneau de synchronisation agencé autour de l’ensemble de volets convergents ou de la structure statorique amont ; et
- des moyens moteurs configurés pour déplacer l’anneau de synchronisation en translation selon l’axe longitudinal, par rapport à la structure statorique amont ;
- des moyens de liaison reliant l’anneau de synchronisation à certains au moins des volets convergents, dits volets convergents commandés, pour commander une variation géométrique de la tuyère.

Les volets convergents commandés comprennent chacun un levier rigidement solidaire du panneau correspondant, et les moyens de liaison comprennent des biellettes ayant chacune une première extrémité articulée au levier d’un volet convergent commandé correspondant et une seconde extrémité, opposée, articulée à l’anneau de synchronisation.

De ce fait, les moyens moteurs peuvent être exploités d’une manière optimale lors d’une manœuvre d’accroissement de la convergence des volets convergents de la tuyère. De plus, les moyens mis en œuvre pour la commande des volets, peuvent ainsi présenter un encombrement et une masse limités au mieux.

Dans des modes de réalisation de l’invention, la première extrémité de chacune des biellettes est articulée à une extrémité du levier correspondant.

Dans des modes de réalisation de l’invention, l’anneau de synchronisation comporte des chapes sur lesquelles sont articulées les secondes extrémités des biellettes.

Dans des modes de réalisation de l’invention, le levier de chacun des volets convergents commandés est agencé à l’extrémité amont du volet convergent commandé.

En variante, le levier de chacun des volets convergents commandés est agencé à une extrémité aval du volet convergent commandé.

Dans des modes de réalisation de l’invention, le levier de chacun des volets convergents commandés est agencé en amont de l’anneau de synchronisation.

En variante, le levier de chacun des volets convergents commandés est agencé en aval de l’anneau de synchronisation.

Dans des modes de réalisation de l’invention, la tuyère à géométrie variable comprend en outre un ensemble de volets divergents répartis autour de l’axe longitudinal, comprenant des panneaux destinés à canaliser le flux d’air d’échappement au sein de la tuyère, et ayant des extrémités amont articulées sur des extrémités aval des volets convergents, moyennant quoi la tuyère est une tuyère convergente-divergente.

Dans des modes de réalisation de l’invention, les volets divergents sont reliés à la structure statorique amont au moyen de bielles ayant chacune une première extrémité articulée à une extrémité aval d’un volet divergent correspondant et une seconde extrémité, opposée, articulée sur la structure statorique amont.

L’invention concerne également un turboréacteur pour aéronef, comprenant une partie arrière du type décrit ci-dessus.

L’invention sera mieux comprise, et d’autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

est une demi-vue schématique en section axiale d’un turboréacteur comprenant une tuyère à géométrie variable ;

est une demi-vue schématique en section axiale d’une partie arrière de turboréacteur d’un type connu ;

est une demi-vue très schématique, en section axiale, d’une partie arrière du turboréacteur de la , selon un mode de réalisation de l’invention ;

est une demi-vue plus détaillée, en section axiale, de la partie arrière de turboréacteur de la , illustré dans une première configuration ;

est une vue semblable à la montrant la partie arrière de turboréacteur ans une deuxième configuration ;

est une demi-vue très schématique, en section axiale, d’une partie arrière du turboréacteur selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Dans l’ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.

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. L’invention est bien entendu applicable à d’autres types de turboréacteurs.

Dans l’ensemble de cette description, la direction axiale X est la direction de l’axe longitudinal 11 du turboréacteur. Sauf lorsqu’il en est stipulé autrement, la direction radiale R est en tout point une direction orthogonale à l’axe longitudinal 11 et passant par ce dernier, et la direction circonférentielle C est en tout point une direction orthogonale à la direction radiale R et à l’axe longitudinal 11. Sauf lorsqu’il en est stipulé autrement, les termes « interne » et « externe » font respectivement référence à une relative proximité, et un relatif éloignement, d’un élément par rapport à l’axe longitudinal 11. Enfin, les qualificatifs « amont » et « aval » sont définis par référence à une direction générale D de l’écoulement des gaz dans le turboréacteur 10.

À titre illustratif, un tel 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 à géométrie variable, par exemple de type convergente-divergente. Ces organes du turboréacteur sont tous centrés selon l’axe longitudinal 11 du turboréacteur.

De manière bien connue, 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 d’échappement 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, puis s’échappe du turboréacteur 10 au travers de la tuyère 28.

En régime de fonctionnement avec postcombustion, par exemple pour propulser un aéronef à des vitesses supersoniques, du carburant est mélangé au flux de gaz d’échappement 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 illustre à plus grande échelle une partie arrière de turboréacteur dans une configuration connue de l’art antérieur, et permet notamment d’apercevoir des volets internes mobiles de la tuyère.

Les volets internes mobiles se composent, en amont, d’un ensemble de volets convergents 30 répartis autour de l’axe longitudinal 11, et, en aval, d’un ensemble de volets divergents 32 répartis aussi autour de l’axe longitudinal 11.

Ces volets internes mobiles comportent chacun un panneau 31, 33 contribuant à délimiter extérieurement un canal de circulation de gaz d’échappement 34 défini dans le prolongement du canal de postcombustion 26. Les volets internes mobiles 30, 32 permettent ainsi de canaliser le flux de gaz d’échappement F4 en sortie du turboréacteur 10, en fonctionnement.

Les volets convergents 30 sont articulés à leurs extrémités amont 36 sur une structure statorique 38 de la partie arrière de turboréacteur, en l’occurrence sur des chapes internes 40 de poutrelles 42 appartenant à ladite structure statorique, de sorte que les volets convergents 30 soient déplaçables en rotation autour de premiers axes d’articulation A1 assujettis à la structure statorique 38.

Les volets divergents 32 sont articulés, à leurs extrémités amont 44, sur des extrémités aval 46 des volets convergents 30, de sorte que les volets divergents 32 soient déplaçables en rotation autour de deuxièmes axes d’articulation A2 assujettis aux volets convergents 30. Les volets divergents 32 sont en outre articulés, à leurs extrémités aval 48, sur des premières extrémités 50A de bielles 50 ayant des secondes extrémités 50B opposées articulées sur la structure statorique 38, en l’occurrence sur des chapes externes 54 des poutrelles 42.

Un système de commande des volets internes mobiles comporte des moyens moteurs configurés pour agir sur certains au moins des volets convergents, qui seront dénommés volets convergents commandés dans ce qui suit. Dans le cas où d’autres volets convergents ne sont soumis à l’action des moyens moteurs que par l’intermédiaire des volets convergents commandés, ces autres volets convergents sont dénommés volets convergents suiveurs, d’une manière bien connue.

Les moyens moteurs sont typiquement constitués de vérins 56 ayant chacun une partie statique, par exemple leur corps 56A, fixée à la structure statorique 38, et une partie mobile, par exemple leur tige 56B, solidaire d’un porte-galet 58 correspondant, sur lequel est monté un galet 60 en appui roulant sur une came 62 formée par une structure 64 solidaire du panneau 31 d’un volet convergent 30 correspondant, le porte-galet 58 étant en outre solidaire d’un doigt de retenue 66 coopérant avec la structure 64 pour retenir radialement le volet convergent 30 et éviter en particulier que le volet ne s’abaisse sous l’effet de la gravité lorsque le turboréacteur est à l’arrêt. L’ensemble des volets internes mobiles 30 et 32 forme ainsi, avec la structure statorique 38, un système isostatique.

Un déplacement en translation de la partie mobile de chaque vérin 56 permet ainsi de provoquer un déplacement des volets convergents 30 en rotation autour des premiers axes d’articulation A1, qui s’accompagne d’un déplacement des volets divergents 32 en rotation autour des deuxièmes axes d’articulation A2. De tels déplacements des volets internes mobiles 30, 32 conduisent à modifier le profil de la tuyère et notamment la section du col de celle-ci au niveau de la jonction entre les volets convergents et les volets divergents.

La tuyère comporte en outre des volets externes mobiles 70 ayant des extrémités amont 72 articulées sur la structure statorique 38, par exemple sur les chapes externes 54 des poutrelles 42, et des extrémités aval 74 assujetties aux extrémités aval 48 des volets divergents 32, par exemple au moyen de dispositifs de liaison à galet 76 et glissière 78.

La configuration à géométrie variable de la tuyère 28 permet d’adapter cette dernière aux différentes phases de vol. Ainsi, en régime subsonique, les volets internes convergents sont par exemple maintenus dans une configuration faiblement convergente, tandis qu’en régime supersonique, les volets internes convergents adoptent une configuration davantage convergente.

Un inconvénient des systèmes de commande du type décrit ci-dessus est que les vérins 56 travaillent dans le sens de la rétraction de leur tige 56B, qui est le sens de travail le moins efficace, lors d’une manœuvre d’accroissement de la convergence des volets convergents, alors que ce type de manœuvre est celle qui requiert les efforts les plus importants.

D’autres systèmes de commande connus ne comportent pas de galet ni de came mais une chaîne d’éléments articulés les aux autres. Dans ces systèmes, la partie des vérins liée à la structure statorique est articulée à cette dernière autour d’axes ortho-radiaux (c'est-à-dire tangentiels). De ce fait, un inconvénient de tels systèmes de commande réside dans l’encombrement relativement important de ces systèmes dans la direction radiale.

La illustre très schématiquement la partie arrière du turboréacteur de la , selon un mode de réalisation de l’invention. Les figures 4 et 5 montrent cette même partie arrière avec davantage de détails, respectivement dans une configuration à faible convergence des volets convergents et dans une configuration à forte convergence des volets convergents.

En référence aux figures 3-5, les volets convergents 30 commandés comprennent chacun un levier 80 solidaire du panneau 31 du volet. Un tel levier 80 s’étend bien entendu dans une direction d’éloignement de l’axe longitudinal 11, à partir du panneau 31 ou à partir d’une structure de rigidification agencée sur la face externe du panneau 31 et solidaire de ce dernier.

De plus, la commande des volets convergents 30 est assurée par un anneau de synchronisation 82 agencé autour de l’ensemble des volets convergents 30 ou, en variante, agencé un peu plus en amont autour de la structure statorique amont 38.

Les moyens moteurs sont reliés à l’anneau de synchronisation 82 de manière à pouvoir déplacer ce dernier en translation selon l’axe longitudinal 11. À titre illustratif, les moyens moteurs sont, ici encore, constitués des vérins 56, et les tiges 56B des vérins 56 sont articulées à des premières chapes 84 de l’anneau de synchronisation 82. De telles premières chapes 84 sont formées en saillie à partir d’un corps principal 86, par exemple de forme torique, de l’anneau de synchronisation 82. Les premières chapes 84 s’étendent par exemple vers l’amont à partir du corps principal 86.

Il est à noter que le corps principal 86 de l’anneau de synchronisation peut présenter une forme plus complexe, comportant par exemple une alternance de parties en saillie radialement vers l’intérieur et de parties en saillie radialement vers l’extérieur et/ou une alternance de parties en saillie vers l’amont et de parties en saillie vers l’aval. Dans tous les cas, le corps principal 86 de l’anneau de synchronisation s’étend tout autour de l’axe longitudinal 11 du turboréacteur et présente ainsi une forme globalement annulaire.

L’anneau de synchronisation 82 est lui-même relié aux volets convergents 30 commandés, au moyen de biellettes 88 ayant chacune une première extrémité 88A articulée en un point d’articulation 80A du levier 80 d’un volet convergent 30 commandé correspondant, et une seconde extrémité 88B, opposée, articulée à l’anneau de synchronisation 82. Ce dernier comporte par exemple, à cet effet, des secondes chapes 90, qui sont formées en saillie à partir du corps principal 86 de l’anneau de synchronisation, et auxquelles les secondes extrémités 88B des biellettes 88 sont articulées. Les secondes chapes 90 s’étendent par exemple radialement vers l’extérieur à partir du corps principal 86.

De ce fait, un déploiement de la tige 56B de chaque vérin 56 provoque un déplacement vers l’aval de l’anneau de synchronisation 82, qui entraîne vers l’aval le point d’articulation 80A de chaque levier 80 et provoque ainsi le pivotement de chaque levier 80 et donc de l’ensemble des volets convergents 30 en direction de l’axe longitudinal 11. À l’inverse, une rétraction de la tige 56B de chaque vérin 56 entraîne un pivotement de l’ensemble des volets convergents 30 dans une direction d’éloignement de l’axe longitudinal 11.

Les vérins 56 travaillent ainsi dans le sens du déploiement de leur tige 56B lors d’une manœuvre d’accroissement de la convergence des volets convergents.

De plus, le système de commande peut ainsi présenter un encombrement et une masse limités.

À cet égard, dans l’exemple préférentiel illustré, le point d’articulation 80A de chaque levier 80, auquel est articulée la première extrémité 88A d’une biellette 88 correspondante, est agencé à une extrémité du levier 80 correspondant, de manière à maximiser le bras de levier exercé sur le volet convergent 30 par la biellette 88. Cela permet par exemple l’utilisation de vérins 56 ayant une puissance nominale modérée.

De plus, le levier 80 de chacun des volets convergents 30 commandés est avantageusement agencé à une extrémité amont 36 du volet, de manière là encore à limiter au mieux l’encombrement et la masse du système de commande des volets.

Dans un tel cas, l’encombrement des moyens moteurs et la place disponible peuvent être tels qu’il soit avantageux de disposer l’anneau de synchronisation 82 en aval du levier 80 de chacun des volets convergents 30 commandés. De ce fait, les biellettes 88 travaillent en traction lors d’une manœuvre d’accroissement de la convergence des volets convergents 30.

Il est à noter que, l’anneau de synchronisation 82 étant continu sur 360 degrés, les corps 56A des vérins 56 peuvent être fixés rigidement sur la structure statorique 38, de la même manière que dans l’exemple connu illustré sur la et décrit ci-dessus.

La illustre un autre mode de réalisation de l’invention qui diffère du mode de réalisation des figures 3-5 du fait que le levier 80 de chacun des volets convergents 30 commandés est agencé à une extrémité aval 30B du volet, et en aval de l’anneau de synchronisation 82. Dans un tel cas, les secondes chapes 90 s’étendent avantageusement vers l’aval à partir du corps principal 86 de l’anneau de synchronisation 82.

L’agencement du levier 80 de chacun des volets convergents 30 commandés à l’extrémité aval 30B du volet permet que les biellettes 88 travaillent en compression lors d’une manœuvre d’accroissement de la convergence des volets convergents 30, ce qui est généralement avantageux du point de vue mécanique.

Bien entendu, les leviers 80 peuvent, en variante, être agencés entre les extrémités amont et aval des volets convergents.

Claims

Partie arrière de turboréacteur, comprenant :
une structure statorique amont (38) ;

une tuyère à géométrie variable (28) comprenant un ensemble de volets convergents (30) répartis autour d’un axe longitudinal (11) de la partie arrière de turboréacteur, comprenant chacun un panneau (31) destiné à canaliser un flux de gaz d’échappement (F4) au sein de la tuyère, et ayant chacun une extrémité amont (36) articulée sur la structure statorique amont ;

un anneau de synchronisation (82) agencé autour de l’ensemble de volets convergents ou de la structure statorique amont ;

des moyens moteurs configurés pour déplacer l’anneau de synchronisation (82) en translation selon l’axe longitudinal (11), par rapport à la structure statorique amont ;

des moyens de liaison reliant l’anneau de synchronisation (82) à certains au moins des volets convergents (30), dits volets convergents commandés, pour commander une variation géométrique de la tuyère ;
dans laquelle les volets convergents (30) commandés comprennent chacun un levier (80) rigidement solidaire du panneau (31) correspondant,
et dans laquelle les moyens de liaison comprennent des biellettes (88) ayant chacune une première extrémité (88A) articulée au levier (80) d’un volet convergent (30) commandé correspondant et une seconde extrémité (88B), opposée, articulée à l’anneau de synchronisation (82).
Partie arrière de turboréacteur selon la revendication 1, dans laquelle la première extrémité (88A) de chacune des biellettes (88) est articulée à une extrémité du levier (80) correspondant.
Partie arrière de turboréacteur selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l’anneau de synchronisation (82) comporte des chapes (90) sur lesquelles sont articulées les secondes extrémités (88B) des biellettes (88).
Partie arrière de turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le levier (80) de chacun des volets convergents (30) commandés est agencé à l’extrémité amont (36) du volet convergent commandé.
Partie arrière de turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le levier (80) de chacun des volets convergents (30) commandés est agencé à une extrémité aval (46) du volet convergent commandé.
Partie arrière de turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le levier (80) de chacun des volets convergents (30) commandés est agencé en amont de l’anneau de synchronisation (82).
Partie arrière de turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le levier (80) de chacun des volets convergents (30) commandés est agencé en aval de l’anneau de synchronisation (82).
Partie arrière de turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la tuyère à géométrie variable (28) comprend en outre un ensemble de volets divergents (32) répartis autour de l’axe longitudinal (11), comprenant des panneaux (33) destinés à canaliser le flux de gaz d’échappement (F4) au sein de la tuyère, et ayant des extrémités amont (44) articulées sur des extrémités aval (46) des volets convergents, moyennant quoi la tuyère est une tuyère convergente-divergente.
Partie arrière de turboréacteur selon la revendication 8, dans laquelle les volets divergents (32) sont reliés à la structure statorique amont (38) au moyen de bielles (50) ayant chacune une première extrémité (50A) articulée à une extrémité aval (48) d’un volet divergent (32) correspondant et une seconde extrémité (50B), opposée, articulée sur la structure statorique amont (38).
Turboréacteur pour aéronef, comprenant une partie arrière selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.