FR2618561A1

FR2618561A1 - Procede et dispositif pour determiner le nombre de mach sans intrusion

Info

Publication number: FR2618561A1
Application number: FR8809579A
Authority: FR
Inventors: Asif Ali Syed
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-07-20
Filing date: 1988-07-13
Publication date: 1989-01-27
Anticipated expiration: 2008-07-13
Also published as: DE3824288A1; GB2207756A; GB8816954D0; IT8821310A0; FR2618561B1; JPH01131417A; US4829813A; IT1227798B; GB2207756B

Abstract

On détermine le nombre de Mach Mo d'un écoulement dans une tuyère d'admission ou conduite de dérivation d'un moteur à turbine à gaz d'avion à partir de l'impédance acoustique d'un résonateur de Helmholtz 34, vis-à-vis d'une source sonore, constituée de la soufflante-stator du moteur. Des mesures de pression P1 (t) et P2 (t) effectuées sans intrusion au droit de la surface de la paroi 32 de la conduite et au fond de la cavité du résonateur sont soumises à une analyse de Fourier pour donner P1 (f) et P2 (f) et l'impédance acoustique pour l'écoulement est déterminée à partir d'une fonction de transfert complexe H1 2 . On établit alors le nombre de Mach de l'écoulement en utilisant des corrélations connues entre impédance acoustique et nombre de Mach ou une table de consultation stockée. Une variante de réalisation utilise une source sonore montée dans le fond du résonateur de Helmholtz et détermine le nombre de Mach par des mesures de pression effectuées à des emplacements espacés l'un de l'autre sur la paroi de la chambre du résonateur. Application à la détermination du débit de fluides dans les avions.

Description

La présente invention concerne la détermination du débit des fluides en

général et, plus particulièrement, un

procédé et un dispositif pour la détermination sans intru-

sion du nombre de Mach de l'écoulement d'un fluide traver-

sant une conduite. La détermination du débit des fluides joue un rôle particulièrement important dans l'aviation. La vitesse de l'air et le nombre de Mach (rapport entre la vitesse de l'air et la vitesse du son à l'altitude du vol) sont utiles non seulement pour la navigation et la commande du vol, mais également pour le fonctionnement du moteur. Un avion moderne aux performances élevées, par exemple, utilise les mesures locales du nombre de Mach pour les gaz traversant les

conduites du moteur afin de commander le réglage des para-

mètres de fonctionnement du moteur.

La détermination classique du nombre de Mach d'un écoulement compressible est basée sur la relation connue

entre ce nombre et les pressions statique et d'impact mesu-

rées pour le fluide. On peut mesurer directement la pression ambiante statique du fluide avec un capteur de pression protégé contre la hauteur dynamique, par exemple par un tube

aux extrémités fermées présentant des perforations circonfé-

rentielles qui sont perpendiculaires & l'écoulement. La pression d'impact ou pression différentielle exercée à la -2- suite du mouvement relatif entre le fluide et un objet s'obtient généralement à partir de la mesure de la pression totale, laquelle est la somme de la pression d'impact et de la pression statique. On mesure généralement la pression totale en utilisant un tube de Pitot présentant une extré-

mité ouverte qui est pointée directement dans l'écoulement.

Un exemple de système utilisant les mesures données par un tube de Pitot statique pour déterminer le nombre de Mach des gaz traversant une conduite dans un moteur d'avion est donné

dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n 3 717 038.

On a proposé un système, tel que celui représenté

dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n 3 039 305, per-

mettant de déterminer acoustiquement le nombre de Mach d'un avion au moyen d'un tube aux extrémités ouvertes, accordé, avec une source sonore placée à une extrémité et avec l'autre extrémité ouverte et en regard, en amont, du courant d'air en mouvement. L'émission des ondes sonores par le tube est supprimée par l'écoulement du courant d'air, lequel agit en barrière ou impédance acoustique pour réfléchir les ondes sonores et les ramener dans le tube. L'impédance acoustique augmente avec la vitesse du courant d'air et charge la source sonore pour diminuer la puissance sonore moyenne rayonnée par cycle. On peut alors déterminer le nombre de Mach à partir d'une relation obtenue antérieurement entre la

puissance émise et le nombre de Mach du courant d'air circu-

lant dans le tube.

Dans les agencements classiques comprenant un tube statique de Pitot et le tube que suggère le brevet n 3 039 305 mentionné ci-dessus, il faut placer un tube en regard de l'écoulement du fluide. Les tubes sont par conséquent

enclins à se colmater ou à se briser sous l'effet des parti-

cules de glace ou d'autres débris, ce qui peut gêner leur fonctionnement ou les rendre totalement inutiles. En outre,

l'aspect intrusion de ces dispositifs limite leurs possibi-

lités de placement dans les régions confinées des conduites, -3-

telles que les conduites d'un moteur d'avion.

On a consacré des recherches considérables sur les effets de l'impédance acoustique des cavités résonnantes vis à vis du son développé dans des écoulements fluidiques comme moyen d'obtenir la réduction du bruit d'un avion, et en par- ticulier la réduction du bruit produit dans les conduites des moteurs à turbine à gaz. On trouvera des exemples des recherches de cette nature dans l'article de Kooi et Sarin, "An Experimental Study of the Acoustic Impedance of Helmhbltz Resonator Arrays Under a Turbulent Boundary

Layer," AIAA 7th Aeroacoustics Conference, Palo Alto, CA, 5-

7 Octobre 1981, Article 81-1998 (Etude expérimentale de l'impédance acoustique des réseaux de résonateurs de Helmholtz sous couche limite turbulente) et dans l'article de Fiske, Syed et Joshi, "Measurement of Acoustic Modes and Wall Impedance in a Turbofan Exhaust Duct," AIAA 8th Aeroacoustics Conference, Atlanta, GA, 11-13 Avril 1983, Article 83-0733 (Mesure des modes acoustiques et de l'impédance des parois dans une tuyère d'échappement des

turbo-réacteurs à double flux).

Dans les moteurs à turbine à gaz des avions, on a placé des dispositfs de réduction du bruit sous forme de réseaux de résonateurs de Helmholtz sur les parois des conduites, avec les paramètres des résonateurs étudiés pour

absorber l'énergie acoustique à des fréquences sélection-

nées, d'o la réalisation de moteurs plus silencieux. On a

comparé les impédances acoustiques prévisibles de ces réso-

nateurs aux diverses fréquences du bruit des moteurs aux impédances mesurées à divers nombres de Mach connus. Les relations obtenues n'ont pas, avant la présente invention, été appliquées à la détermination du nombre de Mach d'un

écoulement à partir des effets acoustiques mesurés.

La présente invention a pour objet de surmonter

les inconvénients précédents ainsi que d'autres inconvé-

nients de l'art antérieur, en proposant un procédé et un -4-- appareil pour déterminer sans intrusion le nombre

de Mach de l'écoulement d'un fluide dans une conduite.

Dans un aspect de la présente invention, on pro-

pose un procédé et un dispositif pour déterminer le nombre de Mach d'un écoulement en conduite sur la base de la déter- mination sans intrusion de l'impédance acoustique de la cavité d'un résonateur située à l'intérieur de la paroi de

la conduite.

Un mode de réalisation préféré de la présente invention, qu'on décrit en détail ci-après, utilise les

relations connues entre l'impédance acoustique des résona-

teurs et le nombre de Mach afin de déterminer ce nombre sur la base de la propre détermination de l'impédance acoustique du résonateur à partir des mesures de pression effectuées sans intrusion au droit de la surface de la paroi de la conduite et dans la chambre du résonateur de Helmholtz, lequel présente un orifice débouchant dans la surface de la paroi de la conduite. On analyse les mesures de pression effectuées au fond de la cavité du résonateur ainsi que celles obtenues à la surface de la paroi à des fréquences correspondant aux modes de production du son dans la conduite, par exemple du son développé sous l'effet de l'interaction entre les aubes du rotor de la soufflante et

les stators dans la conduite de dilution d'un moteur à tur-

bine à gaz et d'un avion à taux de dilution élevé. Une variante de réalisation utilise une source sonore séparée située à l'intérieur de la chambre résonnante et détermine l'impédance acoustique au moyen de mesures de pression

faites seulement dans la chambre.

La suite de la description se réfère aux figures

annexées qui représentent respectivement:

Figure 1, une vue schématique simplifiée en éléva-

tion de coté, partiellement en coupe, d'un moteur à turbine à gaz dans lequel on peut utiliser la présente invention; Figure 2, une vue schématique partielle, à grande -5 - échelle, d'une section de conduite du moteur de la figure l, incorporant un mode de réalisation du détecteur de Mach selon la présente invention; Figure 3, une vue en coupe prise le long de la ligne 3.3 de la figure 2; Figure 4, un schéma sous forme de blocs du circuit de traitement de signal du détecteur de la figure 2; Figures 5A-5B et 6A-6B, des graphiques permettant de comprendre le fonctionnement de la présente invention; Figure 7, une vue correspondant & celle de la figure 2 d'une forme modifiée du détecteur de Mach selon la

présente invention.

Dans les dessins, les éléments identiques portent

les mêmes numéros de référence.

On envisage les modes de réalisation de la pré-

sente invention en liaison avec leur utilisation dans l'environnement d'un moteur à turbine à gaz 10 donné à titre

d'exemple et représenté en Figure 1.

Le moteur '10 est un turbo-réacteur à double flux à rapport de dilution élevé disposé de manière à être

pratiquement monté concentriquement autour d'un axe longitu-

dinal représenté par la ligne en tirets 12. Le moteur 10 comporte une tuyère d'admission d'air ou conduite 14, des

aubes 16 de rotor de soufflante, des stators 17 de souf-

flante, une conduite 18 de soufflante ou de dilution, des compresseurs 20, une chambre de combustion 22, des turbines 24 et une tuyère de propulsion ou conduite 26. Le courant d'air sortant de la tuyère d'admission 14 est fractionné entre un écoulement traversant une conduite principale 27 du moteur et un écoulement passant par une conduite de dilution 18. A des fins de commande du moteur, le nombre de Mach du courant d'air dans une conduite d'un moteur, telle que la conduite d'admission 14 ou la conduite de dilution 18, est déterminé au moyen d'un détecteur de Mach sans intrusion en conformité avec le procédé et le dispositif de la présente -6- invention. Le détecteur 28, représenté en figures 2 et 3, comporte un logement 30 monté au ras de la paroi 32 de la tuyère d'admission 14 ou de la conduite de dilution 18 (voir figure 1). Une cavité acoustique résonnante sous forme d'un

résonateur 34 de Helmholtz est formée à l'intérieur du loge-

ment 30. Le résonateur 34 comporte un orifice tubulaire 35

de longueur 1 et de diamètre d, placé suivant l'axe perpen-

diculaire à la surface immédiatement contiguë de la paroi 32 et conduisant à une chambre cylindrique de résonnance 38 de longueur L et de diamètre D. On choisit les dimensions 1 et d du tube 36 et les dimensions L et D de la chambre de

résonnance 38 conformément aux principes bien connus permet-

tant d'obtenir un résonateur de Helmholtz 34 ayant une fré-

quence de résonnance acoustique caractéristique f0, comme on

le décrit ci-après.

Le résonateur de Helmholtz 34 fonctionne en conformité avec des principes bien connus pour produire une résonnance acoustique à la fréquence caractéristique f0 à l'intérieur de la chambre 38 en réponse à l'écoulement de l'air le long de la paroi 32 au droit de l'ouverture du tube 36 de l'orifice. On peut considérer l'orifice 36 et la

chambre 38 du résonateur 34 comme étant acoustiquement ana-

logues à un système de ressort mécanique à masse amortie, avec l'air dans le petit orifice 36 se déplaçant comme une particule unitaire ou particule acoustique, se comportant par conséquent en masse acoustique. L'effet est semblable à la production de la résonnance d'un son lorsque l'air est

soufflé dans l'embouchure d'un pichet de vin. Des ondes sta-

tionnaires se trouvent établies par les réflexions acous-

tiques entre les surfaces supérieure et inférieure de la

chambre 38.

On choisit le mode de réalisation du résonateur 34

représenté en figures 2 et 3 pour fournir un signal acous-

tique raisonnable permettant de mesurer l'effet de -7- l'impédance acoustique de l'orifice 36 sur le son, tel que

le son caractéristique produit par les aubes 16 de la souf-

flante lorsqu'elles tournent au droit des stators 17. On choisit par conséquent les dimensions du résonateur 34 pour que la fréquence de résonnance f0 du mode axial fondamental du résonateur corresponde à la fréquence fondamentale ff de la source sonore soufflante-stator. Comme la soufflante tournera à des vitesses de rotation différentes et aura par conséquent des fréquences fondamentales caractéristiques ff différentes, on doit choisir la fréquence f0 du résonateur de façon que celui-ci résonne sur une bonne partie de la

bande des fréquences ff attendues pour les mesures présen-

tant de l'intérêt. Il est souhaitable de concevoir le réso-

nateur 34 de façon que la vitesse des particules acoustiques soit optimisée afin d'obtenir une bonne propagation des

ondes planes dans le mode axial, avec une faible propaga-

tion, voire nulle, des ondes dans le mode radial ou circon-

férentiel. On choisit les dimensions de l'orifice 36 de manière à produire une résistance acoustique pour la vitesse des particules acoustiques afin d'obtenir un amortissement - raisonnablement bon, mesurable. Des dimensions appropriées seront de l'ordre de 1 à 1,2 mm pour d et de 0,8 à 1,2 mm pour 1. On doit choisir les dimensions de la chambre de résonnance 38 de façon que la contribution principale à

l'amortissement soit due à l'orifice 36 et que la contribu-

tion due aux pertes visqueuses dans la chambre 38 ne soit pas importante. On choisira la longueur L de façon qu'elle soit de 3 à 4 fois plus grande que le diamètre D; avec une valeur typique de 25 à 38 mm pour L et d'environ 6,5-8 mm pour D. Ainsi, pour une valeur d'environ 1600 Hertz pour la

fréquence caractéristique ff de la source sonore soufflante-

stator, la cote L sera de l'ordre de 25 mm (en supposant une

vitesse du son au niveau de la mer de 330 m/s).

Un capteur de pression, tel qu'un transducteur --8-- - 8 - miniature 40 est monté à l'intérieur d'un alésage 42 ménagé au centre de l'extrémité intérieure ou fond de la chambre 38, avec sa surface de détection au ras de la paroi du fond

de la chambre. On doit veiller à rendre étanches les inter-

stices entre le transducteur 40 et la paroi du fond de manière à éviter les interférences avec les effets de la résonnance. Un connecteur électrique 44 sert à fournir la

sortie électrique du transducteur 40 à un appareil de trai-

tement du signal qu'on discutera ci-après en liaison avec la

figure 4.

Le logement 30 comporte également un autre alésage 46 pour le placement d'un second capteur de pression, tel qu'un second transducteur miniature 48, le long de la paroi 32 à un endroit distant de l'orifice 36. La surface de détection du transducteur 48 est à ras de celle de la paroi

32, des interstices étant rendus étanches de manière à évi-

ter les interférences avec le courant d'air de passage.

Comme dans le cas du premier transducteur 40, un connecteur électrique 50 sert à transmettre la sortie électrique du

transducteur 48 à l'appareil de traitement du signal.

On choisit les transducteurs 40, 48 sur la base d'un compromis raisonnable entre les objectifs souhaités de bonne sensibilité, de faible dimension, de construction robuste, et de faible coût. Des transducteurs d'un diamètre

de 1,5 à 2,5 mm conviennent. On peut choisir les transduc-

teurs dits Kulite CQ-080-25 D, Endevco 8514-10 ainsi que

d'autres transducteurs ayant des caractéristiques sem-

blables. Le transducteur 40 détecte la pression Pl(t) au fond de la cavité acoustique des ondes acoustiques planes stationnaires établies dans le résonateur 34 en réponse à une particule acoustique tombant droit de l'orifice 36 qui correspond à la composante perpendiculaire à la paroi 32 au droit de l'orifice 36 d'une onde acoustique développée par la source sonore soufflante-stator. Le transducteur 48

détecte la pression en surface P2(t) correspondant à la com-

posante de l'onde de la source sonore soufflante-stator à l'emplacement de la conduite du transducteur 48. Les sorties Pl(t) et P2(t) des transducteurs 40 et 48 sont fournies par les connecteurs 44 et 50 au circuit 52 de traitement du

signal, représenté en figure 4, pour décomposition mathéma-

tique et détermination de l'impédance acoustique en confor-

mité avec les techniques classiques d'analyse. On se repor-

tera, par exemple, à J.Y. Chung et D.A. Blaser, "Transfer Function Method of Measuring In-Duct Acoustic Properties," J. Acoust. Soc. Am. 68(3), 907921 (Sep. 1980) (Méthode de la mesure des propriétés acoustiques dans une conduite par

la fonction de transfert).

Comme représenté en figure 4 les signaux de sortie Pl(t) et P2 (t) provenant des capteurs de pression 40 et 48 sont tout d'abord fournis au circuit de traitement du signal

52 pour conditionnement du signal par des filtres 54 anti-

formation d'ambiguïtés. Ceux-ci sont typiquement des filtres

analogiques ou numériques passe-bas, qui éliminent les har-

moniques de fréquence élevés de manière à présenter un signal plus propre pour analyse. Le cas échéant, les signaux filtrés sont amplifiés par des amplificateurs 56 avant d'être fournis à un analyseur de Fourier 58 pour subir une

analyse par transformée de Fourier. L'analyseur 58 fonc-

tionne pour transformer les signaux Pl(t) et P2(t) en

signaux correspondants Pl(f) et P2(f) du spectre de fré-

quence. Les signaux Pl(f) et P2(f) représentent les coeffi-

cients d'une série de Fourier finie des signaux Pl(t) et

P2(t) après décomposition de ces signaux en fréquences cor-

respondant à la fréquence fondamentale fF de la source sonore soufflantestator, et à ses harmoniques. Les signaux

Pl(f) et P2(f) sont transmis à un circuit 60 de détermina-

tion de la fonction de transfert afin d'obtenir une fonction de transfert complexe sous une forme H12, comme suit: H12(f) = P(f) P(f)/(f)*(f) H12(f) =P2(f) Pl*(f)/Pl(f)Pl*(f)

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9 Pl(f) est le spectre de la fréquence complexe de la pres-

sion détectée au capteur 40, P2(f) est le spectre de la fré-

quence complexe de la pression détectée au capteur 48, Pl*(f) est la conjugué complexe de Pl(f), et les barres

supérieures indiquent des valeurs moyennes dans le temps.

La valeur de l'impédance acoustique due à l'orifice 36 est déterminée de la manière classique à partir

de la fonction de transfert, et est l'objet d'une corréla-

tion avec le nombre de Mach M au moyen d'un comparateur ou autre circuit de corrélation 62, utilisant des relations connues entre les impédances acoustiques et les nombres de Mach qui sont déterminées au préalable de manière empirique pour la conduite soufflante-stator de l'avion particulier et

le résonateur employé.

Les filtres 54, les amplificateurs 56, l'analyseur de Fourier 58, le circuit 60 de détermination de la fonction de transfert et le circuit de corrélation 62 sont tous

configurés de manière appropriée selon les techniques clas-

siques à partir de dispositifs qu'on trouve dans le commerce et qu'on choisit de façon appropriée. Les fonctions de l'analyseur de Fourier 58, du circuit 60 et du corrélateur 62 peuvent également être obtenues au moyen d'un ordinateur

numérique utilisant des techniques de programmation stan-

dard, bien connues, et le choix du nombre de Mach M corres-

pondant à l'impédance mesurée peut être effectué en utili-

sant une table de consultation.

Si on utilise le détecteur 28 à un emplacement ou dans des circonstances dans lesquels la couche limite variable ou autre caractéristique peut avoir un effet sur la précision des mesures, on peut prévoir un circuit d'étalonnage 64 (figure 4) pour procéder aux ajustements appropriés dans la fonction de transfert pour la corrélation du nombre de Mach effectuée par le circuit de corrélation

62.

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En fonctionnement (voir figure 4), les ondes sonores sortant d'une source sonore, telle que les aubes 16 de la soufflante et les stators 17, se propagent sous forme

d'un courant d'air ayant un nombre de Mach M inconnu (repré-

senté par une flèche en figure 4) dans la conduite 18 et ont des composantes perpendiculaires à la paroi 32 de cette conduite. La composante normale dirigée au droit de l'embouchure de l'orifice 36 du résonateur de Helmholtz 34 agit en particule acoustique pour établir des ondes planes stationnaires dans le mode axial à l'intérieur de la chambre de résonnance 38. Le transducteur 40 détecte la pression

Pl(t) au fond de la cavité résonnante en fonction du temps.

Le second transducteur 48 détecte la pression P2(t) en fonc-

tion du temps qui est exercée sur la paroi 32 par la compo-

sante normale de l'onde en propagation de la source sonore à un point de la paroi 32 distant de l'embouchure de l'orifice 36. Les deux signaux Pl(t) et P2(t) sont analysés par le

circuit de traitement de signal 52 en utilisant les tech-

niques classiques d'analyse des ondes, afin de déterminer une valeur pour l'impédance acoustique du résonateur 34 qui peut alors faire l'objet d'une corrélation avec le nombre de Mach M. Dans le circuit 52, les signaux Pl(t) et P2(t) traversent des filtres 54 pour extraire les harmoniques d'ordre élevé. Ils sont alors amplifiés, le cas échéant, par

les amplificateurs 56 et divisés pour obtenir leurs compo-

santes de fréquence Pl(f) et P2(f) par des procédés standard de transformée de Fourier exécutés par l'analyseur 58. Une fonction de transfert complexe est alors déterminée par le circuit 60 pour donner une décomposition mathématique du signal à partir de laquelle on peut déterminer l'effet de l'impédance acoustique du résonateur sur l'onde de la source

sonore. A partir de la relation connue, déterminée antérieu-

rement de manière empirique entre l'impédance acoustique et le nombre de Mach, ou d'une table de corrélation déterminée

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au préalable et stockée, on détermine le nombre de Mach inconnu M0 de l'écoulement dans la conduite qui correspond à

l'impédance acoustique mesurée.

Pour la configuration des détecteurs représentée en figure 2, l'impédance acoustique Z(f) de la chambre 38 peut s'exprimer de la manière suivante: Z(f) = -i Cosec (kL) x H12(f) O i = -1, k = 2 f/c, nombre d'ondes acoustiques (c étant la vitesse du son dans la chambre 38), L = profondeur de la chambre 38, H12(f) étant la fonction de transfert définie ci-dessus. Lorsque la fréquence de fonctionnement f est telle que la profondeur L de la chambre 38 est égale au quart de la longueur d'onde ( /4), on peut obtenir la résistance acoustique du résonateur 34 à partir de la partie imaginaire

de H12(f).

En figures 5A-5B et 6A-6B on donne un exemple des valeurs d'une relation déterminée empiriquement entre l'impédance acoustique d'un système à résonateur de Helmholtz et le nombre de Mach M0 pour un écoulement dans un courant d'air libre parallèle à une face poreuse d'un conduit de moteur d'avion. On a obtenu ces valeurs dans le cas d'une cavité résonnante de 25 mm de profondeur et d'une feuille faciale en aluminium perforée aux trois fréquences de 1750 Hz, 2100 Hz et 2450 Hz, à proximité de la fréquence de résonnance de la cavité. La figure 5A montre la variation de la partie imaginaire de la fonction de transfert H12(f) avec le nombre de Mach M0 pour un courant libre. La figure B indique la variation de la partie réelle de H12(f) avec MO. Pour cet exemple, comme on peut le voir, seule la partie imaginaire de H12(f) convient pour être utilisée comme mesure du nombre de Mach M0. Les figures 6A et 6B montrent la variation de la résistance acoustique et de la réactance

avec le nombre de Mach.

En figures 5 et 6 on donne un exemple des valeurs

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pour une relation déterminée empiriquement entre l'impédance acoustique d'un système de résonateur et le nombre de Mach M0 de l'écoulement libre parallèle à la face poreuse d'une

conduite de moteur d'avion. On a obtenu ces valeurs en labo-

ratoire avec une cavité de 25 mm de profondeur et une

feuille faciale en aluminium perforée. Les valeurs sont pré-

sentées pour trois fréquences proches de la résonnance de la

cavité. La figure 5A montre la variation de la partie imagi-

naire de H12(f) avec le nombre de Mach M0 pour un écoulement libre. La figure 5B montre la variation de la partie réelle avec Mo. On peut voir que la partie imaginaire de H12(f) peut être utilisée comme mesure du nombre de Mach MO. Les figures 6A et 6B montrent la variation de la résistance

acoustique et de la réactance avec le nombre de Mach M0.

La figure 1 indique l'emplacement des détecteurs

28 pour la détermination du nombre de Mach dans un écoule-

ment d'air en conduite à des endroits situés dans la tuyère d'admission 14 et dans la conduite de dilution 18. Le nombre de Mach pour un écoulement d'air à l'une ou l'autre des

positions indiquées tombera généralement dans la plage 0,18-

0,60, même pour un vol supersonique, et la relation entre la résistance acoustique et le nombre de Mach sera généralement

invariante dans cette plage.

Un détecteur de Mach 28 selon la présente inven-

tion peut être également placé à un autre endroit du moteur de l'avion afin de déterminer le nombre de Mach local des écoulements d'air en conduite. Cependant, le placement dans des zones de fonctionnement plus chaudes nécessite une conception spéciale et l'emploi de capteurs de pression à

haute température de coût élevé. On peut utiliser le détec-

teur 28 pour déterminer le nombre de Mach pour des écoule-

ments de fluides autres que l'air et pour des écoulements autres que ceux confinés dans des conduites de moteur d'avion. On peut utiliser pour chaque détecteur un réseau de résonateurS34 ou un seul résonateur 34. On peut installer un

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thermo-couple (non représenté) dans la chambre 38, le cas échéant, pour mesurer la température et calculer la vitesse

locale du son.

On remarquera que dans l'environnement réel des conduites d'un moteur, la fréquence d'excitation, la valeur de la pression du son et le nombre de Mach de l'écoulement, varient avec la vitesse de rotation du moteur. De plus, l'épaisseur de la couche limite et les profils varient avec l'emplacement dans la conduite du moteur. C'est pour ces raisons qu'on a conçu un capteur pour un moteur particulier et l'a étalonné pour cette application. De cette façon, on peut concevoir un capteur pour surveiller de manière précise le nombre de Mach dans une conduite du moteur pendant le vol. La figure 7 illustre une forme modifiée 28' d'un détecteur de Mach qui convient à la détermination d'un nombre de Mach pour un écoulement de fluide o aucune source acoustique appropriée n'est déjà présente. Un logement 30' comporte un résonateur acoustique 34' qui renferme une

source acoustique 66 montée au fond d'une chambre de réso-

nance 38'. On choisit les dimensions du résonateur 34' pour obtenir la résonnance à une fréquence caractéristique f0 correspondant au mode de fréquence primaire fs de la source 66. On détermine l'impédance acoustique de l'orifice 36 à partir des pressions appliquées aux transdudteurs 68 et 70 montés en étant espacés l'un de l'autre sur la paroi de la chambre 38'. On choisit la position des transducteurs 68 et de manière à produire une différence de pression maximum

entre eux.

Pour la configuration illustrée en figure 7, l'impédance Z(f) de l'ouverture en terme de signaux mesurés par les transducteurs aux emplacements x1 et x2 est donnée par la relation suivante: -i (Sin(kx2) H12(f') Sin(kxl)) Z(f) = (CoQs(kx2) - H12(f') Cos(kxl))

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o i = -1, k = 2 f/c, le nombre d'ondes acoustiques, H12(f') = P2(f') Pl*(f') / Pl(f') Pl*(f'), f' est la fréquence d'excitation de la source acoustique 66, et Pl(f') et P2(f') sont les signaux de pression acoustiqueaux transducteurs 70 et 68, respectivement.

La description venant d'être faite montre donc que

la présente invention propose un procédé et un dispositif

pour déterminer sans intrusion le nombre de Mach d'un écou-

lement de fluide dans une conduite avec une utilité plus particulière pour la détermination du nombre de Mach local de l'écoulement d'air dans les tuyères et les conduites de

moteurs modernes à turbine à gaz d'avions.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif pour déterminer sans intrusion le nombre de Mach d'un écoulement de fluide dans une conduite, caractérisé en ce qu'il comprend: un résonateur acoustique (34) placé à l'arrière d'une paroi de la conduite et présentant une ouverture (36) sur une surface de la paroi; un moyen (16) pour produire une onde acoustique tombant sur l'ouverture du résonateur; des moyens (40, 48) pour déterminer l'impédance acoustique du résonateur; et un moyen (62) pour procéder à la corrélation de

l'impédance acoustique avec le nombre de Mach de l'écoule-

ment.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur acoustique est un résonateur de

Helmholtz ayant un orifice (36) et une chambre (38).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen déterminant l'impédance acoustique comprend des premier et second capteurs de pression (40, 48) montés dans des endroits distants l'un de l'autre sans être

introduits dans la conduite.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen produisant des ondes acoustiques comprend un moyen situé à l'intérieur de la conduite (14; 18), en ce que le premier capteur de pression (40) est placé à l'intérieur de la chambre (38) du résonateur de Helmholtz, et en ce que le second capteur de pression (48) est placé sur la surface

de la paroi (32).

5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen produisant des ondes acoustiques comprend un moyen situé à l'intérieur de la chambre du résonateur de Helmholtz et en ce que les premier et second capteurs de pression sont placés tous les deux à l'intérieur de la

chambre.

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6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premier et second capteurs de pression comprennent des premier et second transducteurs (40, 48) pour produire respectivement des premier et second signaux électriques P1(t) et P2(t) correspondant à la variation dans le temps de la pression à laquelle ils sont soumis; et en ce que le moyen de détermination de l'impédance acoustique (52, figure 4) comprend un moyen d'analyse de Fourier pour transformer les signaux P1(t), P2(t) en signaux correspondants P1(f) et

P2(f) dans le spectre de fréquence.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de détermination de l'impédance acoustique comprend en outre un moyen de détermination d'une fonction de transfert pour donner une fonction de transfert ayant la forme: 12(f) P2(f) P1*(f)/P1(f) P1*(f), o P1*(f) est la conjuguée complexe de P1(f) et les barres horizontales.indiquent des valeurs moyennes dans le temps.

8. Procédé pour déterminer sans intrusion le nombre de Mach d'un écoulement de fluide dans une conduite, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: produire une onde acoustique tombant sur l'ouverture d'un résonateur acoustique placé à l'arrière d'une paroi de la conduite et comportant une ouverture pratiquée dans la surface de cette paroi; déterminer l'impédance acoustique du résonateur; et faire une corrélation entre l'impédance acoustique et

le nombre de Mach pour ledit écoulement.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de production comprend l'étape consistant à développer une onde acoustique tombant sur l'ouverture d'un

résonateur de Helmholtz comportant un orifice et une chambre.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en

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ce que l'étape de détermination comprend l'étape consistant à mesurer la pression à des première et seconde positions espacées l'une de l'autre, sans intrusion par rapport à la conduite.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'étape de production comprend en outre l'étape consistant à émettre l'onde acoustique à un emplacement situé à l'intérieur de la conduite; et en ce que l'étape.de détermination comprend en outre l'étape consistant à mesurer la pression à une première position de la surface de la paroi de la conduite et à une seconde position à l'intérieur de la

chambre du résonateur de Helmholtz.

12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'étape de production comprend l'étape consistant à

émettre l'onde acoustique à un emplacement situé à l'inté-

rieur de la chambre du résonateur de Helmholtz, et en ce que l'étape de détermination comprend en outre l'étape consistant à mesurer la pression à des première et seconde positions à

l'intérieur de la chambre.

13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'étape de détermination comprend en outre les étapes consistant à produire des premier et second signaux P1(t) et P2(t) correspondant à la variation dans le temps des mesures de pression faites aux premières et secondes positions; et l'étape de transformation des signaux P1 (t) et P2(t) au moyen d'une analyse de Fourier en signaux correspondants P1(f) et

P2(f) dans un spectre de fréquence.

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'étape de détermination comprend en outre l'étape consistant à obtenir une fonction de transfert sous la forme:

H 12(t) = P2 (f) P* ( f)/P (f P *(f).

o P1*(f) est la conjuguée complexe de P1(f) et les barres horizontales indiquent des valeurs moyennes dans le

temps.

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15. Dispositif pour déterminer le nombre de Mach d'un écoulement de fluide au droit d'une paroi, caractérisé en ce qu'il comprend: un résonateur acoustique de Helmhotz comportant un orifice et une chambre, et placé à l'arrière de la paroi avec l'ouverture de l'orifice débouchant sur la surface de la paroi; des moyens pour produire une onde acoustique tombant sur l'orifice du résonateur de Helmholtz; des premier et second capteurs de pression montés en étant espacés l'un de l'autre, sans introduction par rapport à l'écoulement, produisant des premier et second signaux P1(t) et P2(t) correspondant à la variation dans le temps de la pression à laquelle ils sont soumis; un moyen pour analyser les signaux P1(t) et P2(t) pour déterminer l'impédance acoustique du résonateur de Helmholtz; et un moyen pour faire une corrélation entre l'impédance

acoustique et le nombre de Mach pour l'écoulement.

16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que le moyen de production d'ondes acoustiques comprend un moyen pour développer une onde acoustique ayant une fréquence caractéristique; en ce que le résonateur de Helmhotlz est configuré de manière à résonner à la fréquence caractéristique; et en ce que le moyen d'analyse comprend un moyen pour analyser les signaux P 1(t) et P2(t) afin de déterminer l'impédance acoustique du résonateur de Helmholtz par rapport

à la fréquence caractéristique.

17. Procédé pour déterminer le nombre de Mach d un écoulement de fluide au droit d'une paroi, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: produire une onde acoustique tombant sur l'orifice d'un résonateur acoustique de Helmholtz placé à l'arrière de la paroi et comportant un orifice débouchant sur la surface de la paroi;

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mesurer la pression à des premier et second endroits espacés l'un de l'autre, sans intrusion par rapport à l'écoulement, et produire des premier et second signaux P1(t), P2(t) correspondant à la variation dans le temps des mesures de pression; analyser les signaux P1(t) et P2(t) pour déterminer l'impédance acoustique du résonateur de Helmholtz et faire une corrélation entre l'impédance acoustique et

le nombre de Mach pour l'écoulement.

18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'étape de production comprend l'étape consistant à

développer une onde acoustique ayant une fréquence caracté-

ristique à laquelle le résonateur de Helmholtz est configuré pour résonner; et en ce que l'étape d'analyse comprend l'étape consistant à analyser les signaux P1(t) et P2(t) pour déterminer l'impédance acoustique du résonateur de Helmholtz

par rapport à la fréquence caractéristique.

19. Dispositif pour déterminer le nombre de Mach d'un écoulement gazeux dans une conduite d'un moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: un résonateur acoustique de Helmholtz ayant un orifice tubulaire et une chambre cylindrique résonante située à l'arrière d'une paroi de la conduite et perpendiculairement à la surface de cette paroi, avec l'embouchure de l'orifice au ras de la surface de la paroi; un premier capteur de pression monté à l'intérieur de la chambre résonante pour produire un premier signal P1(t) correspondant à la variation dans le temps de la pression à laquelle il est soumis; un second capteur de pression monté en étant espacé du

premier capteur pour produire un second signal P2(t) corres-

pondant à la variation dans le temps' de la pression à laquelle il est soumis; un moyen pour analyser les signaux P1(t) et P2(t) pour déterminer l'impédance acoustique du résonateur de Helmholtz

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vis-à-vis d'une onde acoustique à laquelle il est soumis; et un moyen pour faire une corrélation entre l'impédance

acoustique et le nombre de Mach pour l'écoulement.

20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que le résonateur de Helmholtz est configuré de manière à résonner à une fréquence caractéristique d'une onde acoustique produite dans la conduite, et en ce que le moyen d'analyse comprend un moyen d'analyse de Fourier pour transformer les signaux P1(t) et P2(t) en signaux P1(f) et P2(f) dans un spectre de fréquence et, en utilisant la fréquence caractéristique, déterminer l'impédance acoustique du résonateur de Helmholtz au moyen d'une fonction de

transfert liant P1(f) et P2(f).

21. Procédé pour déterminer le nombre de Mach d'un écoulement gazeux à travers une conduite de moteur à turbine à gaz au moyen d'un résonateur acoustique de Helmholtz ayant un orifice tubulaire et une chambre cylindrique résonante placée à l'arrière de la surface d'une paroi de la conduite et perpendiculairement à cette surface, avec l'embouchure de l'orifice au ras de la surface de la paroi, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: détecter la pression à une première position à l'intérieur de la chambre de résonance, et produire un premier signal P1(t) correspondant à la variation dans le temps de la pression détectée; détecter la pression à une seconde position distante de la première position, et produire un second signal P2(t) correspondant à la variation dans le temps de la pression détectée; analyser les signaux P1(t) et P2(t) pour déterminer l'impédance acoustique du résonateur de Helmholtz vis-à-vis d'une onde acoustique incidente; et faire une corrélation entre l'impédance acoustique et le nombre de Mach pour l'écoulement;

22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en

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ce que le résonateur de Helmholtz est configuré de manière à résoner à une fréquence caractéristique d'une onde acoustique produite dans la conduite, et en ce que l'étape d'analyse comprend l'étape consistant à transformer les signaux P1 (t) et P2(t) au moyen d'une analyse de Fourier en signaux P1(f) et P2(f) d'un spectre de fréquence et, en utilisant la fréquence caractéristique, déterminer l'impédance acoustique du résonateur de Helmholtz au moyen d'une fonction de

transfert liant P1(f) et P2(f).