Une buse à section variable permet d'ajuster la pression de sortie des gaz de combustion à la pression ambiante. Lorsqu'ils quittent la turbine, les gaz de combustion ont encore une certaine pression restante qui est convertie en vitesse par un contour convergent de la buse.

Si les gaz de combustion ont une pression suffisante pour être accélérés à une vitesse supersonique, la buse est en fait d'abord convergente puis divergente pour obtenir la meilleure accélération du flux. Le flux subsonique convergent s'accélère jusqu'à ce que dans la section avec la plus petite zone, appelée gorge, la vitesse du son soit atteinte, et la section divergente suivante accélère davantage le flux maintenant supersonique jusqu'à ce que sa pression tombe à la pression ambiante. Cette con-di-buse doit ajuster à la fois la section transversale de la gorge et la section transversale de la zone de sortie. Le fait de ne pas obtenir en particulier la zone de gorge entraînera une perte de poussée substantielle en fonctionnement.

Les moteurs de postcombustion nécessitent des buses adaptables en raison des différentes conditions de fonctionnement en mode sec et humide, ils profitent donc au maximum des buses réglables. Réchauffer le gaz d'échappement signifie augmenter son volume, de sorte que la buse doit devenir plus large pour être correctement adaptée. En général, si la vitesse de sortie des gaz de combustion est supersonique, une buse réglable est nécessaire. Même certains premiers jets sans postcombustion avaient une buse réglable: le cône central de la buse Jumo-004 pouvait être déplacé d'avant en arrière, ce qui changeait l'emplacement de la section arrière bulbeuse, aidant à obtenir la zone de la gorge droite. Notez dans l'image ci-dessous que la section transversale s'élargit à nouveau dans la dernière partie de la buse, ce qui montre que le flux d'échappement du moteur Jumo était légèrement supersonique.

Les moteurs d'avion de ligne ne gagneraient guère à une buse réglable, et compte tenu de l'augmentation de la masse d'une buse entièrement réglable, auraient au total une efficacité moindre. Les avions à courte portée ont généralement des géométries de buses optimisées pour les performances sur le terrain, tandis que les avions à longue portée préfèrent optimiser pour une meilleure efficacité de croisière. Leur vitesse de sortie du flux central est encore subsonique ou seulement légèrement supersonique - veuillez noter que la vitesse du son dans le gaz de combustion chauffé est beaucoup plus élevée. À 500 ° C, la vitesse du son est de près de 560 m / s.

La buse du ventilateur à section variable essaie de faire pour le flux du ventilateur ce que la buse ordinaire fait pour le flux central d'un jet. Il s'agit donc bien d'un concept connexe et permet d'optimiser les performances à la fois à basse et à haute vitesse. L'image ci-dessous est copiée du brevet américain 2011 / 0302907A1 et montre une partie d'extrémité réglable du capot (hachurée, 54). La vitesse de sortie du flux du ventilateur est subsonique au décollage et légèrement supersonique en croisière, et comme son débit massique est beaucoup plus élevé que celui du noyau dans les moteurs d'avion de ligne, la variable de la buse est rentable plus tôt. En ajustant la pression de sortie en faisant varier la zone de sortie, il peut obtenir des gains de performances.

Bien que je ne sois pas ingénieur, je pilote des avions avec des buses réglables, et je pourrai peut-être éclairer leur principe de fonctionnement de base:

Objectif

Le but de la buse, en flux subsonique, est de resserrer le flux d'air, augmentant ainsi considérablement la poussée à la sortie du moteur (techniquement, il convertit le gaz en poussée, faisant ainsi du générateur de gaz un turboréacteur .) S'il n'y avait pas de buse, alors le gaz quittant la turbine n'aurait pas à peu près la même poussée sortant de l'arrière que lorsque la buse se restreint. Vous pouvez y penser comme si vous placez votre pouce sur l'extrémité d'un tuyau, le débit est beaucoup plus rapide car vous restreignez le débit d'eau. Plus techniquement, la vitesse d'écoulement augmente tandis que la pression réelle diminue - l'effet venturi. Cependant, lors des opérations de postcombustion, les buses ont l'effet inverse et leur fermeture réduit en fait la vitesse d'écoulement. Ainsi, pendant l'écoulement supersonique, les buses s'ouvrent réellement.

Fonctionnement

Déplacer la manette des gaz vers l'avant sur un jet fait certaines choses, cela augmente le carburant, crée plus de gaz et limite également les buses. Pendant les opérations de taxi, je suppose que les buses qui limitent, lorsque vous sortez des arrêts de ralenti, ont plus d'effet sur le mouvement du jet que l'augmentation réelle de N2. En fait, si les buses ne se bloquaient pas correctement et s'ouvraient soudainement pendant le vol, le jet tomberait du ciel. C'est une véritable urgence que nous pratiquons, car, parfois, les buses ne fonctionneront pas correctement, ce qui, dans le pire des cas, peut vous laisser avec deux moteurs inutiles. Cependant, comme pour la plupart des choses, il y a une mise en garde. Lors du fonctionnement en post-combustion, les buses s'ouvrent à nouveau. Les buses bloquées fermées en AB ont le même effet que les buses bloquées ouvertes en mil - vous devenez une brique. Donc, essentiellement, les buses ne sont nécessaires que si votre moteur est capable de post-combustion et de générer un flux supersonique. Vous ne pouvez pas générer de poussée avec des buses ouvertes sous le brûleur, et vous ne pouvez pas générer de poussée avec des buses fermées dans le brûleur. C'est juste plus de complexité que les moteurs non AB n'ont pas besoin, et plus qui peuvent échouer en vol.

S'il y avait une raison pour laquelle les avions commerciaux n'avaient pas les mêmes moteurs que nous, ce serait celle-là. À l'exception des turboréacteurs hautement inefficaces, presque tous les avions commerciaux sont équipés de turboréacteurs à double flux, pour être précis. Sans entrer dans les mauvaises herbes, le débit de dérivation élevé utilisé dans les moteurs modernes leur permet de fonctionner beaucoup plus efficacement que nos moteurs. Avec un moteur à dérivation élevée, tout le débit restera subsonique, et un échappement fixe est non seulement plus économique, mais aussi plus sûr car il ne peut pas s'ouvrir et réduire la poussée. Les avions de combat utilisent également des turbosoufflantes, cependant, les nôtres sont à faible contournement et consomment beaucoup plus de carburant que nos homologues civils. L'avantage est que nous sommes également capables d'opérer dans un environnement beaucoup plus diversifié: AoA élevés, flux supersonique, fluctuations de puissance rapides, etc ... Compte tenu de notre mission, le compromis entre perte d'efficacité et gain de performance a du sens. Pour référence, sur le Super Hornet, nos moteurs brûlent plus de 38 000pph à MAX. Ce genre d'inefficacité entraînerait rapidement la faillite d'une compagnie aérienne, car elle n'a tout simplement pas le même type d'exigences opérationnelles. Certes, nous ne volons pas tout le temps chez MAX, mais vous voyez l'idée.

Peter Kämpf a déjà donné une bonne réponse longue avec de jolis diagrammes. tl; dr, la chose se résume à un flux subsonique et supersonique se comportant différemment. Le but est d'augmenter la vitesse d'échappement. Pour le flux subsonique, vous y parvenez en le limitant, mais pour le flux supersonique, vous devez l'étendre. Ainsi, les moteurs supersoniques (et la vitesse d'échappement supersonique est rarement atteinte sans postcombustion) nécessitent une buse à section variable, les subsoniques (tous les moteurs d'avion de ligne sauf Concorde) non.

Il me semble que votre propre lien donne la réponse:

Les moteurs subsoniques sans postcombustion ont des buses de taille fixe car les changements de performances du moteur avec l'altitude et les vitesses de vol subsoniques sont acceptables avec un buse fixe. Ce n'est pas le cas aux vitesses supersoniques comme décrit pour le Concorde dans la section "Contrôle de la zone des buses en fonctionnement à sec".

Cette buse réglable fournit une vectorisation de poussée. Ceci est plus efficace à l'arrière de l'avion loin du centre de gravité, où ils fournissent une assistance en tangage et en lacet.

Donc, avec les moteurs sous les ailes, cela aiderait seulement avec le roulis. Le tangage et le lacet ne sont pas aidés dans cette configuration et les ailerons existants sont plus que suffisants pour cela.

Le mécanisme est un mécanisme complexe et lourd qui nécessite de la maintenance et du carburant supplémentaire.

La plupart des avions commerciaux (tous depuis le Concorde) sont des avions subsoniques où le changement des conditions atmosphériques ne change pas suffisamment l'effet de la zone de la buse pour justifier la complexité supplémentaire.

Une chose qui n'a pas été mentionnée ou prise en compte jusqu'à présent est que lorsque la buse du tuyau de jet change de zone, la pression statique à l'intérieur change. Par conséquent, la pression différentielle à travers la turbine L.P. (en supposant un moteur à double ou triple corps) changera également. Cela accélère ou ralentit le compresseur L.P.

Vous vous demandez donc: "Pourquoi les moteurs à réaction avec postcombustion utilisent-ils des buses à section variable?"

De tels moteurs peuvent être à usage militaire ou commercial, mais sont utilisés pour propulser l'avion vers le supersonique. Le Concorde était un exemple d'avion supersonique non militaire, dont les moteurs étaient en postcombustion.

Il y a une raison fondamentale pour laquelle la zone de la buse change, et c'est "pour maintenir le flux d'air du moteur".

Performances des buses pour les buses convergentes:

Un graphique des performances des buses montre le paramètre de débit - Wg · Sqrt (Tt) / [Pt · A] - - rapport de la pression de la buse - Pt8 / Ps8 où:
Wg = débit d'air, plus les sous-produits de combustion, donc air vicié
Tt = température totale
Pt = pression totale
A = surface au col de la buse
Pt8 = pression totale au col de la buse
Ps8 = pression statique au col de la buse

atteint un maximum à M = 1 (nombre de Mach de la gorge de la buse = 1 ).

La valeur du paramètre de flux est d'environ 0,5318.Wg Sqrt (Tt) / [Pt A] = f (M, k, R), où
k = rapport thermique spécifique,
R = constante de gaz

Sans post-combustion

En fonctionnement à sec à «puissance militaire», le moteur est à son point de conception, à 100% du régime du compresseur, Point de conception de la turbine & si les turbines & du compresseur sont conçues pour avoir un bon point de correspondance (aérodynamique thermodynamique &).

À ce stade, le paramètre de débit au col de la buse est à son maximum ~ = 0,5318.

Avec Afterburner

Si la post-combustion est démarrée, alors le total la température dans la buse, Tt8, augmente fortement. Supposons que la température double?
alors Sqrt (2 · Tt8) = 1,4 · Sqrt (Tt8), et vous avez 1,4 fois le paramètre de flux étranglé à la gorge.

Mais le paramètre de débit ne peut pas augmenter, donc ce qui se passe, c'est que le débit d'air diminue d'un facteur 1,4. Et d'où vient ce flux d'air? De la sortie de la turbine, qui vient de la sortie du brûleur, qui vient de la sortie du compresseur, qui vient de l'entrée du compresseur.

Que se passe-t-il ensuite? Une surtension du moteur si le FADEC (Full Authority Digital Electronic Control) tente de maintenir la vitesse du rotor du compresseur en augmentant le débit de carburant vers le brûleur afin d'augmenter la puissance de la turbine. En fait, cela pourrait entraîner une surchauffe de la turbine, de sorte que le FADEC doit réduire la demande.

En plus d'allumer la postcombustion provoquant l'augmentation de Tt8, cela provoque une diminution de Pt8 ... il y a une baisse de pression qui est due à l'échauffement. Il s'agit d'un processus Rayleigh, qui explique les «pertes à chaud». Dans un A / B (postcombustion), il y a des pertes par frottement ou à froid, mais celles-ci sont minimes par rapport aux pertes à chaud. Ces pertes de charge totales entraînent également une augmentation du paramètre de débit, car Pt est dans le dénominateur du paramètre de débit, et contribuent à la perte de débit d'air.

La solution au problème de Tt plus élevé et de Pt inférieur qui restreint la buse le débit consiste à augmenter la surface de la buse - alors tous les autres composants du moteur sont heureux. Heureux également le pilote qui poursuit ou est poursuivi par un adversaire, et qui ne veut pas qu'un missile tire son tuyau d'échappement parce que son moteur s'est arrêté sur lui.

À propos de la section divergente de la buse - il consiste à étendre les gaz à une température ambiante proche et à obtenir une poussée supplémentaire en le faisant.