FR3019300A1 - Banc d'essai, destine a la caracterisation d'un ecoulement d'un fluide diphasique. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un banc d'essai, destiné à la caractérisation d'un écoulement d'un fluide diphasique, comportant un réservoir de fluide (1), une première pompe (5) apte à puiser le fluide dans le réservoir (1) et à alimenter une première et une deuxième lignes (10, 11) reliées en parallèle, chaque ligne (10, 11) étant équipée successivement, de l'amont vers l'aval dans le sens d'écoulement du fluide, de moyens d'injection d'air (15, 29) dans le fluide, de moyens de mesure (18, 32) aptes à fournir une information sur la proportion de la phase vapeur par rapport à la phase liquide du fluide, et d'une seconde pompe (22) ou d'un venturi (36).

Description

Banc d'essai, destiné à la caractérisation d'un écoulement d'un fluide diphasique La présente invention concerne un banc d'essai, destiné à la caractérisation d'un écoulement d'un fluide diphasique, en particulier un écoulement de carburant destiné à alimenter une turbomachine, tel qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Une telle turbomachine est classiquement équipée d'une pompe à carburant formée d'un étage basse pression, appelé pompe basse pression, et d'un étage haute pression, appelé pompe haute pression. La pompe basse pression est destinée à générer une élévation de pression et est généralement formée par une pompe centrifuge comportant un rouet à aubages. Les caractéristiques d'élévation de pression dépendent fortement du régime de rotation de la pompe. La pompe haute pression est, quant à elle, destinée à générer un débit. Ces deux pompes sont le plus souvent intégrées dans un même carter et sont entraînées à la même vitesse par un arbre. Des phénomènes physiques modifient significativement les caractéristiques de l'alimentation de la turbomachine en fonctionnement, ces phénomènes étant notamment dépendants de la géométrie de la canalisation d'amenée du carburant, de l'altitude, du type de carburant utilisé. En particulier, en fonctionnement, l'air dissous dans le carburant (kérosène) a tendance à dégazer et le kérosène peut se vaporiser. Le fluide s'écoulant dans les canalisations et au travers de la pompe à carburant est alors diphasique et contient des bulles ou des poches de gaz qui peuvent induire des disfonctionnements de la turbomachine (fluctuations de poussée, pertes de contrôles, arrêt de la turbomachine, etc.) Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire de pouvoir 30 garantir la tolérance des turbomachines à ce type de phénomène, quelles que soient les conditions de fonctionnement. Cependant, ces phénomènes sont actuellement mal connus et il est relativement difficile de les modéliser ou de les reproduire lors d'essais. Il apparaît donc nécessaire de pouvoir étudier et caractériser de tels phénomènes. Cette caractérisation passe notamment par la connaissance du ratio entre la proportion de la phase vapeur par rapport à la phase liquide du carburant. Actuellement, la seule norme traitant de la quantité et de la teneur en gaz dans un système d'alimentation de carburant d'un avion est la norme ARP 492. Cette norme est relativement ancienne et ne permet pas d'étudier de façon fiable les phénomènes précités.

Pour des raisons de sécurité, les pompes actuelles sont surdimensionnées de façon à garantir un bon fonctionnement de la turbomachine sous toutes les conditions de fonctionnement. Un tel surdimensionnement est toutefois défavorable en termes de poids et d'encombrement, notamment.

L'invention a pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique aux problèmes précités. A cet effet, elle propose un banc d'essai, destiné à la caractérisation d'un écoulement d'un fluide diphasique, comportant un réservoir de fluide, une première pompe apte à puiser le fluide dans le réservoir et à alimenter une première et une deuxième ligne reliées en parallèle, la première ligne étant équipée successivement, de l'amont vers l'aval dans le sens d'écoulement du fluide, de premiers moyens d'injection d'air dans le fluide, de premiers moyens de mesure aptes à fournir une information sur la proportion de la phase vapeur par rapport à la phase liquide du fluide et d'une seconde pompe apte à simuler une pompe à carburant d'une turbomachine, en particulier une pompe basse-pression d'une turbomachine, la deuxième ligne étant équipée successivement, de l'amont 30 vers l'aval dans le sens d'écoulement du fluide, de deuxièmes moyens d'injection d'air dans le fluide, de deuxièmes moyens de mesure aptes à fournir une information sur la proportion de la phase vapeur par rapport à la phase liquide du fluide et d'un organe déprimogène, tel par exemple qu'un venturi. On rappelle qu'un organe déprimogène permet de limiter l'écoulement d'un fluide de façon à créer une pression différentielle de part et d'autre de l'organe. On rappelle également qu'un venturi est un organe comportant une zone convergente progressive, suivi d'une zone divergente progressive.

Le banc selon l'invention propose ainsi deux lignes parallèles, de façon à étudier l'effet de la seconde pompe (pompe basse pression ou BP), par comparaison du rapport ou ratio V/L (V étant la proportion de la phase vapeur dans le fluide et L étant la proportion de la phase liquide) entre la première ligne comportant la seconde pompe et la deuxième ligne comportant l'organe déprimogène, dont les caractéristiques sont bien connues et facilement modélisables. Il est ainsi possible de dissocier l'influence de la pompe BP ou basse-pression (simulée par la seconde pompe) de l'influence du reste du système d'alimentation en carburant. Il est notamment possible de faire varier la vitesse de rotation de chacune des première et seconde pompes, ainsi que le débit d'air injecté par les moyens correspondants. L'étude des ratios V/L peut notamment permettre de valider ou d'affiner des modèles mathématiques afin qu'ils représentent le plus fidèlement possible les phénomènes se produisant lors du fonctionnement d'une turbomachine. Une meilleure compréhension et modélisation de ces phénomènes permet de pouvoir dimensionner au mieux l'ensemble des organes du système d'alimentation en carburant, en particulier la pompe à carburant. Selon une caractéristique proposée, le banc d'essai comporte des moyens aptes à réchauffer ou refroidir le fluide, tels par exemple qu'un échangeur de chaleur.

Il est ainsi possible d'étudier les rapports V/L précités, pour différentes températures du fluide. De tels moyens permettent également de maintenir la température du fluide constante pendant toute la durée d'un essai, par exemple.

Les moyens aptes à réchauffer ou refroidir le fluide sont par exemple situés en amont des première et deuxième lignes. Ces moyens peuvent être formés par un échangeur de chaleur apte à échanger de la chaleur entre ledit fluide et un fluide caloporteur, par exemple de l'eau. La première ligne peut comporter une première vanne de régulation située en aval de la seconde pompe, la deuxième ligne comportant une deuxième vanne de régulation située en aval du venturi. Les première et deuxième vannes de régulation sont réglables et permettent chacune de générer une contre-pression réglable dans la ligne correspondante, de manière à contrôler le débit dans chaque ligne. Ces vannes permettent en particulier d'obtenir des débits de fluide identiques dans les deux lignes. De préférence, la première ligne comporte une troisième vanne de régulation située en amont de la seconde pompe et en aval des premiers moyens de mesure, la deuxième ligne comportant une deuxième vanne de régulation située en amont du venturi et en aval des deuxièmes moyens de mesure. La troisième et la quatrième vannes de régulation sont également réglables et permettent chacune d'affiner le réglage du débit de fluide dans chacune des première et deuxième lignes. Au travers des première, deuxième, troisième et quatrième vannes de régulation, on dispose ainsi de deux degrés de liberté pour ajuster la contre-pression dans chacune des lignes. En outre, la première ligne peut comporter une cinquième vanne de régulation située en amont des premiers moyens d'injection d'air, la 30 deuxième ligne comportant une sixième vanne de régulation située en amont des deuxièmes moyens d'injection d'air.

Les cinquième et sixième vannes sont réglables et forment des pertes de charge singulières. De plus, la première ligne peut comporter des troisièmes moyens de mesure aptes à fournir une information sur la proportion de la phase vapeur par rapport à la phase liquide du fluide, situés en aval de la seconde pompe, la seconde pompe étant une pompe centrifuge. Au passage de la seconde pompe, toutes les espèces chimiques n'ont pas le même comportement. La présence des troisièmes moyens de mesure permet, par comparaison avec l'information fournie par les premiers moyens de mesure, de déterminer la part de chaque espèce chimique dans la phase vapeur du fluide. Il est ainsi par exemple possible de déterminer les quantités d'air et de kérosène vaporisé présentent dans la phase vapeur du fluide. Avantageusement, le réservoir est équipé d'une pompe à vide.

De cette manière, il est possible de récupérer la phase vapeur générée dans chacune des première et deuxième lignes. La pompe à vide permet également d'abaisser la pression dans le réservoir, ce qui peut avoir une influence sur la quantité d'air dissous dans le kérosène par exemple. Le banc proposé peut également comporter une troisième ligne reliant le réservoir aux première et deuxième lignes, la troisième ligne comportant des zones coudées et des zones à diverses altitudes, de manière à être représentative d'une canalisation d'alimentation en carburant d'une turbomachine. Enfin, le banc d'essai peut comporter des moyens de mesure du débit de fluide et/ou des moyens de mesure de la pression du fluide, et/ou des moyens de mesure de la température du fluide, dans chacune des première et deuxième lignes. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un banc d'essai selon une forme de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique, en perspective, du banc de la figure 1, - la figure 3 est une vue en perspective, d'une partie des moyens d'injection d'air. Les figures 1 et 2 illustrent un banc d'essai selon une forme de réalisation de l'invention, ledit banc étant destiné à la caractérisation d'un écoulement de fluide diphasique.

Le banc comporte un réservoir de fluide 1, d'une capacité importante, par exemple de l'ordre de 10 000 litres, et contenant du kérosène, par exemple du kérosène de type Jet A1/JP8. Le réservoir 1 est équipé d'une pompe à vide 2 de manière à permettre d'ajuster ou de réguler la pression dans le réservoir 1. Ce dernier est également pressurisé avec de l'azote. Une ligne 3 relie une sortie du réservoir 1 à un embranchement 4, ladite ligne 3 étant équipée successivement, de l'amont vers l'aval dans le sens de circulation du fluide, d'une pompe volumétrique 5 apte à générer un débit déterminé, d'un filtre 6 et d'un échangeur de chaleur 7 apte à refroidir ou à réchauffer le fluide. La pompe volumétrique 5 est couplée classiquement à un réservoir de drainage 6. L'échangeur de chaleur 7 est apte à échanger de la chaleur entre le fluide circulant dans la ligne 3, à savoir le kérosène, et un fluide caloporteur tel par exemple que de l'eau. Un embranchement 8 est situé entre l'embranchement 4 et la sortie de l'échangeur 7. Bien que cela ne soit pas représenté, dans la zone 9 située entre l'embranchement 4 et l'échangeur de chaleur 7, la ligne 3 comporte une succession de coudes, par exemple sept coudes à 90°, des restrictions aptes à former des pertes de charge singulières, et des zones situées à différentes altitudes, de manière à reproduire le plus fidèlement possible la géométrie d'une canalisation d'alimentation en carburant équipant un avion.

En aval de l'embranchement 4 s'étendent deux lignes parallèles, référencées respectivement 10 et 11, les extrémités aval des lignes étant réunies au niveau d'un embranchement 12. La ligne 10 est équipée successivement, de l'amont vers l'aval, d'une vanne de détente 13, d'un débitmètre 14, de moyens 15 d'injection d'un débit d'air dans le kérosène, d'un capteur de pression 16, d'un capteur optique 17, d'un capteur 18 apte à déterminer la proportion de la phase vapeur dans le fluide circulant dans ladite ligne 10, d'une vanne de détente 19, d'un capteur de pression 20, d'un capteur de température 21, d'une pompe centrifuge 22 comportant un rouet à aubages, d'un capteur 23 apte à déterminer la proportion de la phase vapeur dans le fluide circulant dans ladite ligne 10, d'un capteur de température 24, d'une vanne de détente 25 et d'un capteur de pression 26. La ligne 11 est équipée successivement, de l'amont vers l'aval, d'une vanne de détente 27, d'un débitmètre 28, de moyens 29 d'injection d'un débit d'air dans le kérosène, d'un capteur de pression 30, d'un capteur optique 31, d'un capteur 32 apte à déterminer la proportion de la phase vapeur dans le fluide circulant dans ladite ligne, d'une vanne de détente 33, d'un capteur de pression 34, d'un capteur de température 35, d'un venturi 36, d'un capteur de température 37, d'une vanne de détente 38, et d'un capteur de pression 39. Les lignes 10, 11 présentent ainsi les mêmes caractéristiques (mêmes vannes de détente ou vannes de régulation, mêmes longueurs des lignes, etc...), à l'exception de la présence de la pompe 22 et du capteur 23, pour l'une, et de la présence du venturi 36, pour l'autre. Ceci permet de faciliter la comparaison entre les mesures réalisées sur chacune des lignes 10, 11. Des lignes d'amenée d'air comprimé 40, 41 relient un réservoir 42 d'air comprimé aux moyens d'injection 15, 29 des première et deuxième lignes 10, 11, par l'intermédiaire de débitmètres 43, 44.

Une ligne 45 relie l'embranchement 12 à une entrée du réservoir 1. Une ligne de dérivation 46 relie l'embranchement 12 ou la ligne 45 à la ligne 3, au niveau de l'embranchement 8 situé entre l'échangeur de chaleur 7 et l'embranchement 4.

Comme cela est mieux visible à la figure 3, les moyens d'injection d'air 15, 29 comportent chacun une bague 47 en matériau poreux dont le diamètre interne correspond sensiblement au diamètre interne de la canalisation correspondante 48 de la ligne 10, 11. L'air sous pression issu des lignes 40, 41 est envoyé par quatre tubes 49 dans la bague 47, cet air étant ensuite diffusé dans le fluide sur toute la périphérie de la bague 47, au travers des porosités de celle-ci. Les tubes 49 sont régulièrement répartis sur la circonférence et sont décalés angulairement les uns des autres de 90°. La taille et la quantité de bulles ainsi générées sont fonction de la pression de l'air en amont de la bague 47 et de la taille caractéristique des porosités de la bague 47. La bague 47 est amovible et peut être changée, en fonction des besoins. Chaque capteur optique 17, 31 comporte une caméra 50 (figure 3) capable d'acquérir jusqu'à 10 000 images par seconde, en fonction de la résolution souhaitée. Les images sont stockées dans une mémoire temporaire et peuvent être acheminées vers un ordinateur en vue de leur traitement. La caméra est positionnée en regard d'une partie transparente 51 de la ligne 10, 11. Cette partie 51 est formée par une section de canalisation transparente, réalisée dans un matériau présentant sensiblement le même état de surface que le reste de la ligne 10, 11. De telles canalisations sont par exemple connues sous la marque MANULED et commercialisées par TECALEMIT FLEXIBLES. Une plaque d'éclairage (non représentée) comportant des diodes électroluminescentes peut être placée en arrière de la canalisation, de manière à éclairer la zone correspondante 51 de manière uniforme et faciliter ainsi le traitement des images.

Un tel traitement permet de détecter l'apparition et la quantité de bulles ou de poches de gaz dans le fluide. Les moyens de mesure 18, 23, 32 comportent chacun des électrodes de mesure écartées les unes des autres, de manière à délimiter entre elles des espaces concentriques subdivisant la section d'écoulement de la ligne correspondante 10, 11. Un signal électrique d'excitation est appliqué entre les électrodes de mesure et mesurent une valeur représentative de la teneur en gaz du fluide traversant la ligne. En fonctionnement, il est possible de faire varier ou de réguler les paramètres suivants : - la pression à l'intérieur du réservoir 1, par l'intermédiaire de la pompe à vide 2, - la température du fluide s'écoulant dans le banc d'essai, par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur 7, - le débit d'air injecté au niveau de chaque ligne 10, 11, par l'intermédiaire des moyens d'injection 15, 29, - la vitesse de rotation de la pompe 22, - le débit de fluide fourni par la pompe 5, - les pertes de charges ou les contre-pressions générées par chacune des vannes de détente 13, 19, 25, 27, 33, 38, - le débit de fluide dérivé par la ligne de dérivation 46, par l'intermédiaire éventuellement d'une vanne réglable non représentée. Tous ces paramètres ont une influence sur la proportion de gaz dans le fluide, à différents endroits du banc d'essai. Les mesures réalisées à l'aide des différents capteurs permettent de comprendre les phénomènes en jeu et, ainsi, d'adapter les modèles mathématiques afin qu'ils représentent le plus fidèlement possible la réalité. L'enjeu est notamment de pouvoir améliorer le dimensionnement de la pompe à carburant d'une turbomachine, afin d'optimiser son encombrement ainsi que sa masse.

Un tel banc permet d'étudier de façon approfondie l'interface entre l'alimentation en kérosène (réservoir 1, pompe 5, géométrie particulière de la zone 9 de la ligne 3) et le turboréacteur (comportant notamment la pompe à carburant simulée en partie dans le banc par la pompe 22). Les rapports des proportions de phase vapeur et de phase liquide (rapport V/L), mesurés à l'aide des capteurs 15, 23, 29, permet de caractériser le fonctionnement de cette interface en présence de gaz. Le banc selon l'invention est capable de générer tout type de rapport V/L, dans une canalisation présentant une géométrie similaire ou identique à celle équipant un avion. Ce banc permet également de dissocier l'influence mutuelle de la turbomachine proprement dite de l'influence du reste de l'avion sur les phénomènes précités.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Banc d'essai, destiné à la caractérisation d'un écoulement d'un fluide diphasique, le banc comportant un réservoir de fluide (1), une première pompe (5) apte à puiser le fluide dans le réservoir (1) et à alimenter une première et une deuxième lignes (10, 11) reliées en parallèle, la première ligne (10) étant équipée successivement, de l'amont vers l'aval dans le sens d'écoulement du fluide, de premiers moyens d'injection d'air (15) dans le fluide, de premiers moyens de mesure (18) aptes à fournir une information sur la proportion de la phase vapeur par rapport à la phase liquide du fluide et d'une seconde pompe (22) apte à simuler une pompe à carburant d'une turbomachine, en particulier une pompe basse-pression d'une turbomachine, la deuxième ligne (11) étant équipée successivement, de l'amont vers l'aval dans le sens d'écoulement du fluide, de deuxièmes moyens d'injection d'air (29) dans le fluide, de deuxièmes moyens de mesure (32) aptes à fournir une information sur la proportion de la phase vapeur par rapport à la phase liquide du fluide et d'un organe déprimogène, tel par exemple qu'un venturi (36).
2. 2. Banc d'essai selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens aptes à réchauffer ou refroidir le fluide, tels par exemple qu'un échangeur de chaleur (7).
3. 3. Banc d'essai selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (7) aptes à réchauffer ou refroidir le fluide sont situés en amont des première et deuxième lignes (10, 11).
4. 4. Banc d'essai selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première ligne (10) comporte une première vanne de régulation (25) située en aval de la seconde pompe (22), la deuxième ligne (11) comportant une deuxième vanne de régulation (38) située en aval du venturi (36).
5. 5. Banc d'essai selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première ligne (10) comporte une troisième vanne de régulation (19) située en amont de la seconde pompe (22) et en aval des premiers moyens de mesure (18), la deuxième ligne (11) comportant une deuxième vanne de régulation (33) située en amont du venturi (36) et en aval des deuxièmes moyens de mesure (32).
6. 6. Banc d'essai selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première ligne (10) comporte une cinquième vanne de régulation (13) située en amont des premiers moyens d'injection d'air (15), la deuxième ligne (11) comportant une sixième vanne de régulation (27) située en amont des deuxièmes moyens d'injection d'air (29).
7. 7.Banc d'essai selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première ligne (10) comporte des troisièmes moyens de mesure (23) aptes à fournir une information sur la proportion de la phase vapeur par rapport à la phase liquide du fluide, situés en aval de la seconde pompe (22), la seconde pompe (22) étant une pompe centrifuge.
8. 8. Banc d'essai selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le réservoir (1) est équipé d'une pompe à vide (2).
9. 9. Banc d'essai selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième ligne (3) reliant le réservoir (1) aux première et deuxième lignes (10, 11), la troisième ligne (3) comportant des zones coudées et des zones à diverses altitudes, de manière à être représentative d'une canalisation d'alimentation en carburant d'une turbomachine.
10. 10. Banc d'essai selon l'une des revendications à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (14, 28) de mesure du débit de fluide et/ou des moyens (16, 20, 26, 30, 34, 39) de mesure de la pression du fluide, et/ou des moyens (21, 24, 35, 37) de mesure de la température du fluide, dans chacune des première et deuxième lignes (10,
11. 11).