FR3044765A1 - Cheminee d'admission d'air pour banc d'essai ferme de turbomachine - Google Patents

Abstract

Cheminée d'admission d'air pour banc d'essai fermé de turbomachine comportant à son embase (10A) au moins une virole tronconique (18, 20) ayant un diamètre de sortie inférieur à son diamètre d'entrée de sorte à créer en sortie de la virole, du fait de la section de passage convergente ainsi créée par la différence des diamètres, une dépression favorisant l'aspiration de l'air s'enroulant autour de la virole avant de pénétrer dans la cheminée, et cela quelle que soit l'orientation du vent circulant à l'extérieur de la cheminée.

Description

Arrière-plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général des bancs d'essais fermés pour turbomachines. Elle vise plus particulièrement une cheminée d'admission d'air pour banc d'essai fermé de turbomachine.

Typiquement, les turbomachines nécessitent pour leur mise au point ou pour la vérification de leurs performances en sortie de maintenance, un passage sur un banc d'essais au sol. Ces essais sont conduits dans une installation fermée pour éviter les nuisances à l'environnement, notamment les nuisances sonores. Ces installations comprennent classiquement, une alimentation en air constituée par une cheminée d'admission, une salle d'essais dans laquelle est disposée la turbomachine, et des moyens d'évacuation des gaz brûlés comportant généralement un collecteur d'échappement ou « detuner » qui se place immédiatement en aval de la turbomachine et dont la fonction est de récupérer les gaz brûlés issus du turboréacteur et de les canaliser dans une salle d'échappement avant d'être rejetés à l'atmosphère.

En fonctionnement, l'air qui traverse la turbomachine est aspiré dans la salle d'essais. La vitesse des gaz en sortie de la turbomachine provoque une circulation de l'air dans la salle, dit air induit, qui passe autour de la turbomachine et qui est entraîné, par effet de trompe, par les gaz sortant de la tuyère d'échappement de la turbomachine.

Un des enjeux des bancs d'essais fermés est d'assurer une bonne alimentation en air de la salle d'essais afin d'éviter la formation de vortex ainsi que la recirculation dans le banc en minimisant la distorsion de vitesse et de pression en amont de la turbomachine de sorte à obtenir un profil de vitesse en amont moteur le plus plat possible.

Les figures 6A et 6B présentent deux exemples d'admission d'air dans la salle d'essais, la première qui présente une forte dissymétrie de vitesse entre le haut et le bas (par rapport à un plan vertical perpendiculaire à l'axe de la turbomachine et sensiblement centré sur la turbomachine) et la seconde quasi-symétrique assurant une bonne homogénéité de l'écoulement en amont de la turbomachine. La dissymétrie de l'écoulement constatée sur la figure 6A est due à des conditions de vent externe (direction et intensité) défavorables pour l'alimentation de la cheminée d'admission. Ces conditions de vent appelées " rose des vents " sont généralement enregistrées et stockées par les stations météo proches des installations d'essais, ce qui permet d'établir des statistiques sur une période donnée et renseigne sur les intervalles pendant lesquels on risque d'avoir des problèmes d'alimentation dans la salle d'essais et par conséquence des problèmes de distorsion à l'entrée de la turbomachine si le banc fermé n'est pas au mieux sur le plan de sa qualité aérodynamique. En effet, sous l'influence de vent externe d'une certaine intensité pour certaines directions du vent, il arrive qu'une certaine zone de la cheminée se trouve en dépression, pendant qu'une autre partie peut se trouver, elle, en surpression, occasionnant un champ hétérogène de la vitesse en sortie du coude d'admission, malgré la présence habituelle de baffles acoustiques et d'une grille d'augets (aubes redresseuses) dans cette cheminée d'admission.

Objet et résumé de l’invention

La présente invention a donc pour but de pallier de tels inconvénients en proposant une cheminée d'admission d'air munie d'un système de "brise-vent" qui puisse s'affranchir de la direction du vent alimentant cette cheminée. A cet effet, il est prévu une cheminée d'admission d'air pour banc d'essai fermé de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte à son embase au moins une virole tronconique ayant un diamètre de sortie inférieur à son diamètre d'entrée de sorte à créer en sortie de ladite au moins une virole, du fait de la section de passage convergente ainsi créée par la différence des diamètres, une dépression favorisant l'aspiration de l'air s'enroulant autour de ladite au moins une virole avant de pénétrer dans la cheminée, et cela quelle que soit l'orientation du vent circulant à l'extérieur de la cheminée.

Ainsi, par cette configuration de virole tronconique canalisant le flux d'air quelle que soit sa direction, c'est à dire assurant une indépendance quant à la direction du vent, le vent va venir s'enrouler entre et autour de la ou des viroles pour venir s'engouffrer dans la cheminée d'admission. Le vent qui va pénétrer par le haut d'une virole va s'accélérer provoquant une dépression en dessous de cette virole, favorisant d'autant mieux l'aspiration du vent pénétrant dans la cheminée.

Selon un mode de réalisation préférentiel, la cheminée comporte des première et seconde viroles concentriques, décalées suivant un axe vertical, et maintenues entre elles par au moins trois bras de liaison et une plaque de raidissement, ladite plaque de raidissement étant disposée au-dessus desdites première et seconde viroles.

De préférence, ladite première virole comporte un diamètre d'entrée 0inl inférieur à la plus grande dimension (L ou 1) de la cheminée d'admission, ladite seconde virole comporte un diamètre d'entrée 0in2 égal au diamètre de sortie 0outl de ladite première virole et ladite plaque de raidissement comporte un diamètre 03 égal au diamètre de sortie 0out2 de ladite seconde virole.

Avantageusement, ladite première virole comporte une sortie positionnée à un niveau d correspondant à +/- l/20e L (ou I) par rapport à un niveau d'entrée de la cheminée d'admission.

De préférence, lesdites viroles comportent un rayon de courbure qui est le même pour toutes et est donné par la formule suivante : Rcourbure » l/5e L (ou I).

Avantageusement, ladite seconde virole comporte une sortie qui affleure l'entrée de ladite première virole ou pénètre légèrement par rapport à celle-ci afin d'augmenter l'effet de trompe du vent pénétrant entre lesdites viroles.

De préférence, le dispositif selon l'invention comporte en outre un cylindre creux monté à la périphérie de ladite embase de la cheminée d'admission et pouvant posséder quatre coins arrondis afin de limiter les décollements d'air dus à des angles trop vifs.

Avantageusement, ledit cylindre creux présente un diamètre égal à environ l/10e de la plus grande dimension de la cheminée d'admission.

Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif selon l'invention comporte en outre des gouttières montées à la sortie de chacune desdites viroles tant sur leur face interne que sur leur face externe pour récupérer des eaux de pluie.

De préférence, lesdites gouttières canalisent les eaux de pluie, via des canalisations, vers ledit cylindre creux où elles peuvent être stockées. L'invention concerne également un banc d'essai de turbomachine, plus particulièrement un banc d'essai fermé au sol de turboréacteur, comportant au moins une cheminée d'admission d'air telle que précitée.

Brève description des dessins D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en perspective d'une cheminée d'admission d'air munie d'un dispositif "brise-vent" selon l'invention ; - la figure 2 est une vue détaillée du dispositif brise-vent de la figure 1 ; - les figures 3 et 4 sont des vues en perspective d'une cheminée d'admission d'air munie de deux variantes distinctes du dispositif brise-vent selon l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe d'une autre variante du dispositif brise-vent selon l'invention comportant un récupérateur d'eau de pluie ; et - les figures 6A à 6B illustrent des champs de vitesse observés dans un banc d'essais fermé selon deux qualités d'admission d'air différentes en l'absence du dispositif selon l'invention.

Description détaillée de l'invention

Classiquement et comme le montre la figure 1, l'entrée ou embase 10A d'une cheminée d'admission d'air 10 d'un banc d'essais fermé est de forme carrée ou sensiblement carrée c'est-à-dire rectangulaire avec un très faible allongement (un rapport longueur sur largeur très proche de 1). Cette cheminée intègre des baffles acoustiques 12 pour limiter le niveau sonore dû au fonctionnement de la turbomachine et, disposées au niveau (avant et après) du coude d'admission 10B menant à la salle d'essai (non représentée) du banc d'essais fermé, des aubes redresseuses 14 pour diriger le flux d'air entrant vers la turbomachine à tester disposée dans cette salle d'essais.

Selon l'invention, il est prévu de surmonter l'embase de la cheminée d'un dispositif "brise-vent" 16 minimisant les zones de dépression à l'entrée de la cheminée d'admission d'air, pour atténuer les effets néfastes des conditions de vent externe sur le fonctionnement des turbomachines testées et ainsi éviter la formation de vortex.

Ce dispositif 16 comporte au moins une virole tronconique fixée sur l'embase de la cheminée et dont le diamètre de sortie est inférieur à son diamètre d'entrée (la différence des diamètres créant une section de passage convergente) et plus particulièrement, dans l'exemple illustré, deux viroles tronconiques 18, 20 concentriques (un nombre supérieur de viroles est envisageable au prix toutefois d'une hauteur et d'une masse suspendue supplémentaires), et une plaque de raidissement 24, décalées suivant un axe vertical, et maintenues entre elles par des bras de liaison 22, avantageusement au nombre d'au moins trois et préférentiellement de quatre, sans que ce nombre ne soit limitatif.

Plus précisément, comme le détaille la figure 2, le diamètre d'entrée 0inl de la première virole 18 ne doit pas dépasser la plus grande dimension de la cheminée d'admission (L ou I). Son rayon de courbure commun aux deux viroles 18, 20 est de préférence donné par la formule suivante : R courbure « l/5e L (ou I lorsque L-I>2m). Le niveau d de la sortie de la première virole 18 est avantageusement positionnée à +/-l/20e L (ou I) par rapport au niveau d'entrée de la cheminée d'admission où sont fixés les bras de liaison. Le diamètre d'entrée 0in2 de la seconde virole 20 est choisi égal au diamètre de sortie 0outl de la première virole 18. La sortie de la seconde virole 20 doit affleurer l'entrée de la première virole 18 ou pénétrer légèrement par rapport à celle-ci afin d'augmenter l'effet de trompe du vent pénétrant entre les deux viroles 18, 20. La plaque 24 située tout en haut du dispositif et qui sert de raidisseur à l'ensemble possède un diamètre 03 égal au diamètre de sortie 0out2 de la seconde virole 20.

Avec cette configuration, quelle que soit l'orientation du vent circulant à l'extérieur de la cheminée, ce dernier va venir s'enrouler entre et autour des viroles 18, 20 pour venir s'engouffrer dans la cheminée d'admission d'air 10. Le vent qui va pénétrer par le haut de la seconde virole 20 va s'accélérer du fait de la section de passage convergente et provoquer une dépression au niveau de la première virole 18, favorisant d'autant mieux l'aspiration du vent pénétrant directement par cette première virole.

On notera que ce phénomène d'aspiration est déjà présent avec une seule virole, même si c'est avec un moindre effet, le vent s'enroulant à l'extérieur de la virole étant aspiré par celui sortant par sa sortie et ayant pénétré à l'intérieur de la virole par son entrée. Au contraire, une pluralité de viroles superposées à tendance à accentuer ce phénomène, la virole supérieure (la plus haute) créant une dépression au niveau de celle qu'elle surmonte et ainsi de suite jusqu'à la virole inférieure (la plus basse).

On notera également qu'en présence de plusieurs viroles, il est possible de faire dépasser le diamètre 0inl de la première virole 18 par rapport au rectangle de la cheminée d'admission sous réserve de plaquer cette première virole 18 sur le rebord de la cheminée d'admission afin de limiter un blocage aérodynamique en partie basse.

Pour faciliter l'écoulement de l'air en limitant les effets de bord, il est possible, comme le montre la figure 3, d'ajouter au dispositif précédent une sorte de cylindre creux 26 ou "liproll" à la périphérie de l'embase 10A de la cheminée d'admission dont les quatre coins 26A à 26D peuvent en outre être arrondis vers l'intérieur de la cheminée afin de limiter les décollements d'air dus à des angles trop vifs (voir la figure 4).

Dans l'exemple illustré, le diamètre de la liproll est égal à lm soit environ l/10e de la plus grande dimension de la cheminée d'admission (9,4m x 10m). Toutes ces dimensions sont évidemment à ajuster en fonction de la topologie de chaque cheminée d'admission.

On notera que le dispositif 16 brise-vent de l'invention peut aussi servir comme collecteur aux eaux de pluie ainsi que le montre le mode de réalisation de la figure 5.

Pour ce faire, des gouttières 28, 30 montées à la sortie de chaque virole 18, 20 tant sur leur face interne 18A, 20A que sur leur face externe 18B, 20B permettent de récupérer les eaux de pluie qui sont canalisées via des canalisations 32 de préférence directement en-dehors du banc d'essais. Toutefois, comme illustré, ces canalisations peuvent aussi aboutir dans la liproll 26 qui est un cylindre creux dans lequel les eaux de pluie peuvent donc ainsi être stockées. On notera que la plaque 24 située tout en haut du dispositif 16 dont le diamètre est égal au diamètre de sortie de la seconde virole 20 et qui sert de raidisseur à l'ensemble, permet aussi de protéger les baffles acoustiques 12 en cas de pluie verticale.

Lorsque le banc d'essais est en activité, la chaleur accumulée par les murs 34 de la chemisée est restituée au fur et à mesure par rayonnement à la liproll 26 qui la restitue par conduction à l'eau accumulée en son sein. Lorsque le banc d'essais est inactif, c'est le soleil lui-même qui se chargera de réchauffer l'eau qui pourra être utilisée afin d'alimenter un quelconque système de chauffage pour la salle de contrôle du banc par exemple.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS

   1. Cheminée d'admission d'air pour banc d'essai fermé de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte à son embase (10A) au moins une virole tronconique (18, 20) ayant un diamètre de sortie inférieur à son diamètre d'entrée de sorte à créer en sortie de ladite au moins une virole, du fait de la section de passage convergente ainsi créée par la différence des diamètres, une dépression favorisant l'aspiration de l'air s'enroulant autour de ladite au moins une virole avant de pénétrer dans la cheminée, et cela quelle que soit l'orientation du vent circulant à l'extérieur de la cheminée.
2. 2. Cheminée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des première (18) et seconde (20) viroles concentriques, décalées suivant un axe vertical, et maintenues entre elles par au moins trois bras de liaison (22) et une plaque de raidissement (24), ladite plaque de raidissement étant disposée au-dessus desdites première et seconde viroles.
3. 3. Cheminée selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite première virole comporte un diamètre d'entrée 0inl inférieur à la plus grande dimension (L ou I) de la cheminée d'admission, ladite seconde virole comporte un diamètre d'entrée 0in2 égal au diamètre de sortie 0outl de ladite première virole et ladite plaque de raidissement comporte un diamètre 03 égal au diamètre de sortie 0out2 de ladite seconde virole.
4. 4. Cheminée selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite première virole comporte une sortie positionnée à un niveau d correspondant à +/- l/20e L (ou I) par rapport à un niveau d'entrée de la cheminée d'admission.
5. 5. Cheminée selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdites viroles comportent un rayon de courbure qui est le même pour toutes et est donné par la formule suivante : R courbure » l/5e L (ou I).
6. 6. Cheminée selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite seconde virole comporte une sortie qui affleure l'entrée de ladite première virole ou pénètre légèrement par rapport à celle-ci afin d'augmenter l'effet de trompe du vent pénétrant entre lesdites viroles.
7. 7. Cheminée selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un cylindre creux (26) monté à la périphérie de ladite embase de la cheminée d'admission.
8. 8. Cheminée selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit cylindre creux possède quatre coins arrondis (26A - 26D) afin de limiter les décollements d'air dus à des angles trop vifs.
9. 9. Cheminée selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit cylindre creux présente un diamètre égal à environ l/10e de la plus grande dimension de la cheminée d'admission.
10. 10. Cheminée selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des gouttières (28, 30) montées à la sortie de chacune desdites viroles tant sur leur face interne (18A, 20A) que sur leur face externe (18B, 20B) pour récupérer des eaux de pluie.
11. 11. Cheminée selon la revendication 10, caractérisée en ce que lesdites gouttières canalisent les eaux de pluie, via des canalisations (32), vers ledit cylindre creux où elles peuvent être stockées.
12. 12. Banc d'essai fermé au sol de turbomachine, comportant au moins une cheminée d'admission d'air (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11.