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MEMOIRE DESCRIPTIF DEPOSE A l'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION EN BELGIQUE Assemblage de tuyères d'échappement avec structure
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annulaire, double.
1 Société dite : UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Inventeurs : Dennis Claude JONES et
James Franklin MARSHALL Priorité conventionnelle : demande de brevet d'invention déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 27 décembre
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1982 sous le numéro 453. 191. aux noms des inventeurs.
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Assemblage de tuyères d'échappement avec structure annulaire synchrone double.
La présente invention concerne des tuyères d'échappement à section variable pour moteurs à turbine à gaz et, plus particulièrement, des structures annulaires synchrones pour ces tuyères.
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Les tuyères convergentes/divergentes tridimensionnelles à section variable sont bien connues dans la technique. Des exemples représentatifs de telles tuyères sont illustrés dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique No 3.792. 815,4. 141. 501, 4.196. 856 et 4.245. 787. Dans chacun de ces brevets, on décrit des tuyères comportant des volets convergents, des volets divergents, ainsi que des volets extérieurs. Dans chaque cas, à l'exception du brevet 4.196. 856, les volets convergents ou extérieurs sont articulés à une structure fixe du moteur.
Dans le brevet 4.196. 856, les extrémités d'amont des volets extérieurs peuvent effectuer un mouvement de translation dans le sens axial indépendamment du mouvement des volets convergents et divergents à l'intervention d'un moyen de mise en action qui fonctionne indépendamment du système de mise en action déplaçant ceux-ci. Bien qu'il en résulte une liberté de mouvement considérable, l'obligation d'utiliser un second système de mise en action est peu souhaitable compte tenu du poids, du coût et de la complexité supplémentaires qu'il entraîne.
Dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 334. 490 déposée le 28 décembre 1981 au nom de Walter H. Wiley et ayant pour titre"Axially Translatable Variable Area Convergent/Divergent Nozzle", on représente une tuyère d'échappement à axe de symétrie dans laquelle les volets convergents sont assujettis à un anneau synchrone intérieur, tandis que des
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volets extérieurs sont assujettis à un anneau synchrone extérieur, un carter de moteur étant disposé entre ces anneaux. Dans une forme de réalisation, on prévoit une structure destinée à assujettir les anneaux synchrones l'un à l'autre, de telle sorte qu'un seul système de mise en action déplace les deux anneaux synchrones dans le sens axial simultanément et au même rythme.
Dans des cas où les charges exercées par le gaz sur les volets de la tuyère créent des efforts de torsion de renversement sur l'anneau synchrone intérieur, le moyen décrit ci-dessus pour assujettir les anneaux intérieur et extérieur l'un à l'autre ne contribue en rien à s'opposer à ces charges qui pourraient ainsi être transmises au système de mise en action, ce qui peut ne pas être tolérable si les efforts de torsion sont suffisamment importants. Il serait nécessaire de mettre au point un système léger permettant d'assujettir les anneaux précités l'un à l'autre de telle manière que la rigidité de torsion supplémentaire requise soit assurée.
Un objet de la présente invention est de fournir une tuyère convergente/divergente à section variable perfectionnée.
Un autre objet de la présente invention est de fournir une structure annulaire synchronedouble destinée à synchroniser le mouvement des parties convergente et divergente d'une tuyère d'échappement convergente/divergente.
Un autre objet encore de la présente invention est de fournir, pour une tuyère d'échappement convergente/divergente, des anneaux synchrones doubles qui sont mus simultanément en utilisant un seul système de mise en action.
En conséquence, une structure de tuyère d'échappement d'un moteur à turbine comportant un axe
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est solidarisée séparément à des anneaux synchrones intérieur et extérieur alignés radialement et pouvant effectuer un mouvement axial de translation, ces anneaux synchrones intérieur et extérieur étant séparés par un carter de moteur, tandis qu'ils sont reliés l'un à l'autre par plusieurs broches s'étendant radialement et espacées circonférentiellement l'une de l'autre qui passent à travers des rainures axiales ménagées dans le carter de moteur, ces broches étant axialement fixes à la fois par rapport à l'anneau synchrone intérieur et à l'anneau synchrone extérieur, mais radialement fixes uniquement par rapport à un seul de ces anneaux afin de permettre un mouvement radial relatif entre ces derniers,
le moyen de mise en action destiné à imprimer un mouvement axial de translation à la tuyère d'échappement étant solidarisé à un seul des anneaux synchrones, mais en imprimant un mouvement de translation simultanément aux deux anneaux synchrones du fait que ceux-ci sont reliés l'un à l'autre par les broches.
Dans une forme de réalisation préférée, les extrémités d'amont des volets convergents de la tuyère sont articulées à un anneau synchrone intérieur à section annulaire rectangulaire pouvant effectuer un mouvement axial de translation. Les extrémités d'amont des volets divergents de la tuyère sont articulées aux extrémités d'aval des volets convergents de cette dernière. Les extrémités d'aval de plusieurs éléments d'assemblage disposés radialement vers l'extérieur des volets de tuyère convergents et divergents sont articulées aux volets divergents, tandis que leurs extrémités d'amont sont articulées à un anneau synchrone extérieur pouvant effectuer un mouvement axial de translation et disposé radialement vers l'extérieur de l'anneau synchrone intérieur en alignement radial avec celui-ci.
Un carter de
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moteur est disposé radialement entre les deux anneaux.
Plusieurs broches radiales espacées circonférentiellement l'une de l'autre relient les anneaux l'un à l'autre et passent à travers des rainures axiales ménagées dans le carter de moteur disposé entre ces anneaux.
Ces broches sont axialement fixes par rapport aux anneaux intérieur et extérieur, mais en ayant la possibilité de se déplacer radialement par rapport à l'un ou l'autre de ces anneaux afin de permettre un mouvement axial relatif entre ces derniers. Un moyen de mise en action est solidarisé à un des anneaux et il imprime simultanément un mouvement de translation aux deux anneaux dans le sens axial, étant donné que ces derniers sont reliés entre eux par les broches. Outre la transmission des forces de mise en action entre les anneaux, les broches confèrent également, aux anneaux, la rigidité à la torsion requise pour contrecarrer les forces exercées par la pression du gaz sur les volets de la tuyère.
Les objets, caractéristiques et avantages précités de la présente invention, ainsi que d'autres apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après de la forme de réalisation préférée de l'invention donnée en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'une tuyère d'échappement de moteur à turbine à gaz renfermant les caractéristiques de la présente invention ; la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1, illustrant partiellement l'invention de manière plus détaillée ; la figure 3 est une vue en coupe prise suivant la ligne 3-3 de la figure 2 ; la figure 4 est une vue en coupe prise sui-
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vant la ligne 4-4 de la figure 2 ; et la figure 5 est une vue en coupe, partiellement élaguée, prise suivant la ligne 5-5 de la figure 2.
En guise de forme de réalisation de la présente invention donnée à titre d'exemple, on considérera l'assemblage de tuyèresd'échappement convergente/ divergente à section variable représenté d'une manière générale par le chiffre de référence 10 en figure 1.
Cet assemblage de tuyères 10 comprend une structure de moteur fixe 12 renfermant un conduit augmentateur 14 comportant une chemise 16 qui en est espacée radialement vers l'intérieur pour définir le parcours augmentateur de débit de gaz comportant un axe 19 qui est l'axe du moteur. La structure de moteur fixe 12 peut également comprendre le fuseau-moteur (non représenté).
La chemise de conduit 16 comporte une extrémité de sortie circulaire 18. Autour de l'axe 19 du moteur, sont disposés circonférentiellement plusieurs volets d'amont 20 définissant une tuyère convergente, plusieurs volets d'aval 22 définissant une tuyère divergente, ainsi que plusieurs volets extérieurs 24. Un moyen d'étanchéité approprié (non représenté) pourrait être prévu entre des volets circonférentiellement adjacents en vue d'empêcher les fuites de gaz au cours de la mise en service. Les extrémités avant 25 des volets d'amont 20 sont articulées, comme indiqué en 26, à un anneau synchrone intérieur 28 pouvant effectuer un mouvement axial de translation. Les extrémités arrière 30 des volets d'amont 20 sont articulées, comme indiqué en 32, aux extrémités avant 34 des volets d'aval correspondants 22.
Une commande de came est assujettie à chaque volet d'amont 20. Dans la présente forme de réalisation, la commande de came est un galet 36. Ce galet 36 voyage le long de la surface 38 d'une voie de
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came 40 au cours du mouvement de translation de l'anneau synchrone 28. La voie de came 40 est supportée par le conduit augmentateur 14 à l'intervention de carters supports conique et cylindrique 42,44 respectivement qui sont boulonnés ensemble à un joint à brides 46. A mesure que les extrémités avant 25 des volets 20 effectuent un mouvement de translation vers l'aval, la section de sortie de la turbine convergente diminue tandis que, à mesure que les extrémités avant 25 des volets 20 effectuent un mouvement de translation vers l'amont, la section de sortie augmente.
Les extrémités avant 48 des volets extérieurs 24 sont articulées, comme indiqué en 50, à un anneau synchrone extérieur 52 pouvant effectuer un mouvement axial de translation et aligné radialement avec l'anneau synchrone intérieur 28 par rapport auquel il est concentrique. Les anneaux synchrones intérieur et extérieur 28,52 sont reliés l'un à l'autre par plusieurs broches 67 s'étendant radialement et espacées circonférentiellement l'une de l'autre, tandis qu'ils effectuent un mouvement axial de translation à l'unisson, ainsi qu'on l'expliquera ci-après plus en détail. Le carter 44 est disposé entre les anneaux synchrones 28,52. Le point de pivotement 50 est situé radialement vers l'extérieur du point de pivotement 26.
Comme indiqué en 54, le volet extérieur 24 et le volet d'aval 22 sont articulés l'un à l'autre à un point situé en aval de leurs extrémités avant respectives 48,34. Dans cet assemblage de tuyères, la section de sortie de la tuyère divergente définie par les volets 22 augmente à mesure que la section de sortie de la tuyère convergente définie par les volets 20 augmente, et vice versa. Ainsi qu'il apparaîtra, du point de vue d'une conception correcte des parties de tuyères convergente et divergente de l'assemblage 10,
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les volets extérieurs 24 pourraient être des tiges ou des éléments d'assemblage semblables articulés, par leurs extrémités avant et arrière, aux points de pivotement 50, 54 respectivement.
Toutefois, des volets sont préférés afin de conférer, à l'assemblage de tuyères 10, un profil extérieur lisse et aérodynamiquement efficace.
En se référant à la figure 2 qui est une vue agrandie de la zone des anneaux synchrones de la figure 1, on peut constater que l'anneau synchrone intérieur 28 est un profilé à section rectangulaire comportant des parois cylindriques intérieure et extérieure 56,58 respectivement. Un élément de raccordement cylindrique 59 est fixé, par son extrémité d'aval 61, à l'anneau synchrone intérieur 28, par exemple, par soudage, et il comprend plusieurs voies de guidage intérieures 63 s'étendant axialement et espacées circonférentiellement l'une de l'autre comme le montre plus clairement la figure 4. Un joint d'étanchéité 65 fixé au conduit d'échappement 14 entre en contact avec la surface cylindrique intérieure de l'élément de raccordement 59 et empêche les fuites de gaz d'échappement.
Le type de joint d'étanchéité illustré est décrit en détail dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique No 3.354. 649 au nom de la Demanderesse, qui est mentionné ici à titre de référence.
L'anneau synchrone extérieur 52 est également un profilé à section rectangulaire comportant des parois cylindriques intérieure et extérieure 60,62 respectivement. La paroi extérieure 58 de l'anneau intérieur 28 est traversée par plusieurs ouvertures circulaires 64 espacées circonférentiellement l'une de l'autre, tandis que la paroi intérieure 60 de l'anneau synchrone extérieur 52 est traversée par un nombre semblable d'ouvertures circulaires 66 qui sont alignées
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chacune radialement avec une ouverture 64. Plusieurs broches 67 s'étendant radialement et espacées circonférentiellement l'une de l'autre relient les anneaux synchrones intérieur et extérieur 28,52 l'un à l'autre.
Chacune de ces broches passe à travers deux ouvertures alignées radialement 64,66 et s'étend pratiquement en travers de toute la hauteur radiale de chaque anneau synchrone. Chaque broche 67 passe également à travers une rainure allongée axialement 69 (voir figure 3) ménagée dans le carter 44.
Dans cette forme de réalisation, l'extrémité intérieure 68 de chaque broche 67 est fixée rigidement, par exemple, par un boulon 70, à la paroi intérieure 56 de l'anneau synchrone intérieur 28. Les broches 67 viennent également s'adapter avec un ajustage précis dans les ouvertures 64 de la paroi extérieure 58, assurant ainsi la rigidité de l'anneau 28.
La partie de chaque broche 67 qui s'étend dans l'anneau synchrone extérieur 52, vient se loger par glissement dans une douille 72. La paroi extérieure 62 comporte plusieurs ouvertures 74 espacées circonférentiellement l'une de l'autre et qui sont alignées chacune avec chaque ouverture 66 afin de permettre l'introduction des douilles 72 et des broches 67 dans les anneaux synchrones 52,28 au cours de l'assemblage.
Après introduction des broches 67, des plaques-couvercles 76 sont disposées par-dessus les ouvertures 64 et, conjointement avec les douilles 72, elles sont fixées rigidement à la paroi extérieure 62 par des éléments appropriés tels que des boulons 78. La longueur des broches 67 est choisie de façon à ménager un petit espace libre 80 entre l'extrémité extérieure 82 de chaque broche 67 et sa plaque-couvercle correspondante 76. L'ajustage coulissant entre les broches 67 et les douilles 72 permet un mouvement radial relatif
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entre les anneaux synchrones intérieur et extérieur, tel qu'il est susceptible de se produire au cours de la mise en service en raison des vitesses de dilatation thermique différentes des anneaux synchrones.
Plusieurs mécanismes hydrauliques de mise en action 88 sont espacés circonférentiellement l'un de l'autre autour du conduit augmentateur 14 auquel ils sont fixés juste en amont du carter support conique 42, comme indiqué en 90. La tige-poussoir 92 de chaque mécanisme de mise en action 88 est clavetée à l'extrémité d'amont 94 de l'élément de raccordement cylindrique 59. Un galet 98 fixé axialement au carter 44 vient s'engager dans chaque voie de guidage 63. A la surface intérieure du carter 44, sont fixées plusieurs voies de guidage extérieures 100 s'étendant axialement et qui sont représentées en traits discontinus en figure 2 du fait qu'elles se situent en dehors du plan des voies de guidage 63. Ces voies de guidage 100 sont illustrées plus clairement dans les figures 4 et 5. En se référant à la figure 5, un galet 102 vient s'engager dans chaque voie 100.
Les galets 102 sont supportés par l'anneau synchrone intérieur 28 vis-à-vis duquel ils sont axialement fixes. Les galets 98,102 et leurs voies associées 63,100 respectivement, guident et localisent radialement l'anneau synchrone intérieur 28 à mesure qu'il est tiré ou poussé axialement par les mécanismes de mise en action 88 au cours de la mise en service de l'assemblage de tuyères d'échappement 10.
D'après les dessins, il apparaît que les charges exercées par le gaz sur les volets de tuyère peuvent créer des efforts de torsion ou de renversement importants sur l'anneau synchrone intérieur, ces efforts de torsion étant représentés par la flèche 200 en figure 2. Même un léger mouvement de rotation (ren-
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versement) de l'anneau synchrone 28 pourrait, sans la présente invention, exercer une force radiale très importante sur les extrémités des mécanismes de mise en action en raison de l'important moment de force engendré par l'élément de raccordement 59. Les broches 67 de la présente invention et la façon dont elles relient l'un à l'autre les anneaux synchrones intérieur et extérieur assurent la rigidité de torsion nécessaire pour s'opposer aux efforts de torsion.
En même temps, les broches permettent toujours une dilatation thermique différentielle entre les anneaux et elles garantissent un mouvement axial simultané de ceux-ci, tout comme si les anneaux synchrones intérieur et extérieur étaient une structure unitaire. Toutes ces caractéristiques sont réalisées grâce à une structure simple et légère dans laquelle on utilise un système de mise en action pour un seul des anneaux synchrones, même si les anneaux intérieur et extérieur sont séparés par un carter de moteur.
Bien que l'invention ait été illustrée et décrite en se référant à une forme de réalisation préférée, l'homme de métier comprendra que diverses modifications et omissions peuvent être envisagées tant dans la forme que dans les détails, sans se départir de son esprit et de son cadre.