FR3073287A1

FR3073287A1 - Dispositif ameliore d'essai au sol pour turbomachine

Info

Publication number: FR3073287A1
Application number: FR1760488A
Authority: FR
Inventors: Laurent Louis Robert BAUDOIN; Josselin David Florian REGNARD
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2017-11-08
Filing date: 2017-11-08
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2037-11-08
Also published as: GB2568604A; US20190137362A1; GB201818220D0; US10837867B2; FR3073287B1; GB2568604B

Abstract

Dispositif d'essais au sol pour turbomachine, comportant un moteur d'aéronef (12) s'étendant axialement d'une entrée d'air vers une tuyère, un capotage (20) présentant un axe de révolution (A) et entourant au moins partiellement le moteur (12) de telle sorte à créer un écoulement d'air annulaire entre le moteur (12) et le capotage (20) lorsque le moteur (12) est en fonctionnement, et un bâti (22) permettant de supporter le capotage (20).

Description

[0001] La présente invention concerne le domaine des turbomachines aéronautiques, et plus précisément un dispositif pour banc d'essais au sol de turbomachine aéronautique.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0002] Avant leur intégration sur des aéronefs tels que des avions, les moteurs de ces aéronefs doivent être soumis à des essais préalables visant à tester l'aérodynamique et l'acoustique de ces moteurs. Ces essais sont réalisés au sol, sur des bancs d'essais prévus à cet effet. Les conditions de ces essais au sol diffèrent des conditions existant en vol en ce que l'air ambiant, entourant le moteur, est statique ou quasi statique. L'effet d'avancement, dû au déplacement de l'aéronef en vol, n'est donc pas reproduit au sol. Par conséquent, les conditions existant au sol ne sont pas représentatives, d'un point de vue aérodynamique et acoustique, de celles existant en vol. Le tube de courant notamment, désignant le couloir créé par l'ensemble des lignes de courant de l'air entrant dans le moteur, est beaucoup plus grand au sol qu'en vol. L'angle d'incidence de ces lignes de courant sur l'entrée d'air du moteur, définie par le carénage du moteur, est donc lui aussi différent. Par conséquent, la position du point d'arrêt, désignant le point de l'entrée du moteur où le flux d'air se sépare de part et d'autre de la paroi du carénage, est différente lorsque les tests sont effectués au sol.

[0003] Pour pallier cet inconvénient, et pour obtenir un tube de courant représentatif des conditions en vol, les tests réalisés au sol utilisent généralement des pavillons aérodynamiques, consistant en des manchons fixés à l'extrémité amont du moteur, de telle sorte à créer artificiellement un couloir guidant l'air jusqu'au moteur. De cette manière, l'angle d'incidence des lignes de courant se rapproche davantage des conditions réelles. Néanmoins, cet équipement n'est pas représentatif de la géométrie réelle du moteur. Ce changement de forme modifie notamment les conditions acoustiques de l'écoulement. L'écoulement n'est en outre pas totalement représentatif des conditions réelles.

[0004] Il existe donc un besoin pour un dispositif simple et peu coûteux permettant d'effectuer des essais au sol de moteur d'aéronefs, dans des conditions représentatives, tant d'un point de vue aérodynamique que d'un point de vue acoustique, des conditions réelles en vol.

PRESENTATION DE L'INVENTION [0005] Le présent exposé concerne un dispositif d'essais au sol pour turbomachine, comportant :

un moteur d'aéronef s'étendant axialement d'une entrée d'air vers une tuyère ;

un capotage présentant un axe de révolution et entourant au moins partiellement le moteur de telle sorte à créer un écoulement d'air annulaire entre le moteur et le capotage lorsque le moteur est en fonctionnement;

un bâti permettant de supporter le capotage.

[0006] Dans le présent exposé, les termes « interne », « externe » et leurs dérivés sont définis par rapport à l'axe principal de la turbomachine ; par ailleurs, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens d'écoulement du fluide traversant la turbomachine.

[0007] L'extrémité amont du moteur, autrement dit son bord d'attaque, définit l'entrée d'air. L'extrémité aval, autrement dit son bord de fuite, définit la tuyère.

[0008] Lorsque le moteur est en fonctionnement, l'air présent autour de la turbomachine est aspiré par l'entrée d'air, passe dans le moteur, puis est expulsé par la tuyère.

[0009] Le capotage peut être un manchon de section circulaire ou sensiblement circulaire, enveloppant au moins partiellement le moteur. Le capotage comporte une extrémité amont disposée, de préférence, à la même position suivant l'axe du moteur que l'extrémité amont du moteur. Cette disposition permet d'améliorer le phénomène de masquage, c'est-à-dire l'atténuation acoustique du moteur par la présence du capotage. Le capotage comporte en outre une extrémité aval pouvant s'étendre plus loin vers l'aval que l'extrémité aval du moteur. Le capotage est disposé autour du moteur de telle sorte à créer un volume annulaire entre la paroi externe du moteur et la paroi interne du capotage.

[0010] Lorsque le moteur de l'aéronef est en fonctionnement, l'air expulsé au niveau de la tuyère du moteur créé, du fait de la présence de l'extrémité aval du capotage, une dépression à l'extrémité aval du volume annulaire entre le moteur et le capotage. Cette dépression créée, par aspiration, un écoulement d'air dans ce volume annulaire, entre l'extrémité amont et l'extrémité aval du moteur.

[0011] Lors d'essais réalisés au sol, la présence du capotage autour du moteur permet donc de créer un écoulement d'air le long de la paroi externe du moteur entre ses extrémités amont et aval. Cet écoulement permet ainsi aux lignes de courant incidentes à l'entrée d'air de présenter un angle d'incidence analogue à celui existant dans les conditions de vol. La position du point d'arrêt notamment peut ainsi être décalée radialement vers l'intérieur. Par conséquent, la présence du capotage permet d'obtenir des conditions au sol représentatives des conditions en vol, tant d'un point de vue aérodynamique qu'acoustique. Par ailleurs, ce dispositif constitue une solution passive grâce à l'effet d'aspiration crée par la dépression au niveau de la tuyère, ne nécessitant pas d'élément actif supplémentaire pour créer artificiellement un écoulement d'air le long de la paroi externe du moteur.

[0012] Dans certains modes de réalisation, le capotage entoure le moteur sur toute sa circonférence.

[0013] Par conséquent, le volume annulaire entre le moteur et le capotage ne présente pas de discontinuité.

[0014] Dans certains modes de réalisation, le capotage présente une longueur supérieure ou égale à la longueur du moteur suivant l'axe de rotation du moteur.

[0015] Dans certains modes de réalisation, le capotage s'étend axialement plus loin vers l'aval que le moteur.

[0016] Par conséquent la dépression créée au niveau de la tuyère du moteur est plus importante. L'effet d'aspiration ainsi obtenu permet d'induire de manière efficace un écoulement d'air le long de la paroi externe du moteur.

[0017] Dans certains modes de réalisation, le rapport de la surface d'une section d'entrée du capotage sur la surface d'une section d'entrée du moteur est compris entre 1 et 3.

[0018] Dans certains modes de réalisation, le rapport de la surface d'une section de sortie du capotage sur la surface d'une section de sortie du moteur est compris entre 1 et 3.

[0019] La section d'entrée du capotage est la surface définie par l'extrémité amont, autrement dit le bord d'attaque, du capotage. La section d'entrée du moteur est la surface définit par le bord d'attaque du moteur. La section de sortie du capotage est la surface définie par l'extrémité aval du capotage. La section de sortie du moteur est la surface définie par le bord de fuite, autrement la tuyère, du moteur.

[0020] La valeur de ces rapports entre les sections d'entrée et de sortie du capotage et du moteur permet d'optimiser le profil de l'écoulement annulaire autour du moteur, et d'obtenir ainsi un écoulement autour du moteur représentatif des conditions en vol.

[0021] Dans certains modes de réalisation, le capotage présente suivant son axe de révolution, entre sa section d'entrée et sa section de sortie, un diamètre maximum intérieur, le diamètre maximum intérieur étant supérieur au diamètre de la section d'entrée et au diamètre de la section de sortie.

[0022] Le profil du capotage, selon sa direction axiale, n'est donc pas cylindrique, mais présente un profil bombé. En d'autres termes, le capotage présente un profil « divergent-convergent ». Le volume annulaire existant entre le moteur et la surface interne du capotage présente donc, suivant l'axe principal de la turbomachine, une portion divergente jusqu'au diamètre maximum intérieur, puis une portion convergente jusqu'à la tuyère. Cette forme permet d'obtenir un effet d'accélération de l'écoulement annulaire autour du moteur.

[0023] Dans certains modes de réalisation, le rapport de la surface de la section du capotage correspondant au diamètre maximum intérieur du capotage, sur la surface de la section du moteur correspondant au diamètre maximum du moteur est compris entre 1 et 2.

[0024] Le diamètre maximum du moteur correspond au diamètre externe maximum de celle-ci entre la section d'entrée et la section de sortie, suivant l'axe principal de la turbomachine. La valeur de ce rapport permet d'optimiser la forme du volume annulaire entre le moteur et le capotage, et ainsi d'améliorer l'effet d'accélération de l'écoulement annulaire autour du moteur.

[0025] Dans certains modes de réalisation, le capotage est supporté par le bâti de manière mobile, de telle sorte que l'axe de révolution du capotage peut être incliné par rapport à l'axe de rotation du moteur.

[0026] Le capotage peut être par exemple fixé au bâti par l'intermédiaire d'une liaison pivot. Ainsi, l'axe de révolution du capotage, initialement coïncidant avec l'axe de rotation du moteur, peut être incliné par rapport à celui-ci, par l'intermédiaire de la liaison pivot. Cela permet d'engendrer une dissymétrie du volume annulaire autour du moteur, et donc une dissymétrie de l'écoulement annulaire. Cette dernière permet d'obtenir un profil d'écoulement autour de le moteur représentatif des conditions en vol, en reproduisant les effets d'inclinaison de l'aéronef.

[0027] Dans certains modes de réalisation, le capotage est supporté par le bâti de manière mobile, de telle sorte que le capotage puisse se déplacer axialement par rapport au moteur, le long de l'axe de rotation du moteur.

[0028] Le capotage peut ainsi se déplacer axialement par rapport au moteur, l'axe de révolution du capotage et l'axe de rotation du moteur étant coïncidant.

[0029] Dans certains modes de réalisation, le capotage peut également se déplacer axialement par rapport au moteur, l'axe de révolution du capotage étant simultanément incliné par rapport à l'axe de rotation du moteur. Le déplacement axial du capotage par rapport au moteur permet d'influer sur la position du point d'arrêt, et ainsi d'observer différentes conditions représentatives des conditions en vol. La position du capotage par rapport au moteur, permettant d'obtenir une position du point d'arrêt représentative d'une condition en vol souhaitée, peut être déterminée par calculs ou par mesures, par exemple.

[0030] Dans certains modes de réalisation, le dispositif comporte un organe de perte de charges configuré pour engendrer des pertes de charges sur au moins une portion de l'écoulement annulaire.

[0031] Par exemple, l'organe de perte de charge peut être une grille installée à l'intérieur du volume annulaire entre le moteur et le capotage. La présence de cette grille engendre des pertes de charges provoquant des turbulences dans l'écoulement annulaire, et ainsi une dissymétrie de celui-ci, représentative des conditions en vol.

[0032] Dans certains modes de réalisation, le capotage comporte une partie principale et au moins un volet orientable disposé à une extrémité aval du capotage, le au moins un volet orientable étant configuré pour pivoter par rapport à la partie principale.

[0033] La présence de ce volet orientable permet, en modifiant l'orientation de celui-ci par rapport au reste du capotage, de faire varier la dépression existant à l'extrémité aval du capotage. Cette variation permet de modifier localement l'effet d'aspiration, et donc la vitesse de l'écoulement annulaire, créant une dissymétrie de celui-ci représentative des conditions en vol.

[0034] Dans certains modes de réalisation, le moteur d'aéronef est un réacteur double flux caréné, le capotage entourant le carénage du moteur.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS [0035] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles :

- les figures IA et IB représentent les lignes de courant incidentes à l'entrée d'un air d'un moteur respectivement au sol et en vol.

- la figure 2 représente un moteur d'aéronef disposé sur un banc d'essai selon l'art antérieur, en l'absence de pavillon aéronautique.

- la figure 3 représente schématiquement un dispositif d'essai selon un exemple de réalisation de l'invention.

- la figure 4 représente le dispositif de la figure 3, dans lequel le capotage est incliné par rapport au moteur.

DESCRIPTION DETAILLEE D’EXEMPLES DE REALISATION [0036] Dans l'exemple décrit ci-dessous, le moteur d'aéronef est une turbomachine. Par ailleurs, le terme « longitudinal » et ses dérivés sont définis par rapport à la direction principale de la turbomachine considérée ; les termes « radial », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont quant à eux définis par rapport à l'axe principal de la turbomachine ; enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens d'écoulement du fluide traversant la turbomachine. Aussi, sauf indication contraire, les mêmes signes de référence sur différentes figures désignent les mêmes caractéristiques.

[0037] La figure IA représente schématiquement les lignes de courant (flèches sur la fig. IA) incidentes à une turbomachine 1, lorsque celle-ci fonctionne au sol. Cette dernière étant immobile par rapport au sol, l'air entourant la turbomachine est sensiblement statique.

Le tube de courant T, englobant l'ensemble de ces lignes de courant, est par conséquent très grand. En effet, la turbomachine en fonctionnement aspire l'air située tout autour d'elle. A l'inverse, l'effet d'avancement engendré par le déplacement de la turbomachine en vol implique un tube de courant T plus petit, comme illustré sur la figure IB. En effet dans ce cas, du fait de son déplacement, la turbomachine aspire essentiellement l'air présent sur le trajet de sa section d'entrée, et non plus l'air situé à l'extérieur de celle-ci. Il s'en suit des lignes de courant sensiblement parallèle à l'axe principal de la turbomachine.

[0038] La figure 2 représente une turbomachine 1 disposé sur un banc d'essai au sol, en l'absence de pavillon aéronautique. La turbomachine 1 est portée par une structure fixe 2 par l'intermédiaire d'un portique 3. La turbomachine comporte un carénage 10 entourant un moteur 12 d'axe de rotation X. L'extrémité amont du carénage 10 définit une entrée d'air E, cette dernière étant définie par le bord d'attaque du carénage. Deux lignes de courant LC incidentes à l'entrée d'air E sont illustrées. Chacune d'elles se séparent en deux lignes de courant LC1 et LC2, en atteignant l'extrémité amont, autrement dit le bord d'attaque, du carénage 10. Chacune des deux lignes de séparation LC1 et LC2 passe respectivement à l'extérieur et à l'intérieur de la turbomachine 1.

[0039] Le point du carénage 10 correspondant à l'endroit où les lignes de courant LC se séparent en deux est le point d'arrêt P, désignant un point où la vitesse de l'air est localement nulle. Lors d'essais au sol, et en l'absence de pavillon, le point d'arrêt P est situé en un point radialement externe du bord d'attaque du carénage 10. La position de ce point d'arrêt, et par conséquent l'angle d'incidence de la ligne de courant LC2 passant à l'intérieur de la turbomachine 1 engendre une dépression D importante au niveau de l'entrée d'air, susceptible de perturber le fonctionnement de la turbomachine. La position de ce point d'arrêt P n'est en outre pas représentative des conditions réelles en vol.

[0040] La figure 3 représente la turbomachine de la figure 2, autour de laquelle est disposé un capotage 20. Le capotage 20 présente une symétrie de révolution autour d'un axe A. Sur la figure 3, l'axe A est confondu avec l'axe X de rotation du moteur 12. Dans cet exemple, le capotage 20 présente une forme analogue à celle du carénage 10, notamment une forme sensiblement cylindrique présentant une surface externe bombée. Les épaisseurs du capotage 20 et du carénage 10 suivant une direction radiale sont également sensiblement équivalentes. Dans cet exemple, la longueur L du capotage 20, suivant l'axe A, est supérieure à la longueur I du carénage 10. Néanmoins, la longueur L du capotage 20 peut être comprise entre 0,8 et 1,5 fois la longueur I du carénage 10. Par ailleurs, l'extrémité amont du capotage 20 est alignée, suivant une direction radiale, avec l'extrémité amont du carénage 10. En revanche, l'extrémité aval du capotage 20 se situe plus en aval que l'extrémité aval du carénage 10, suivant l'axe A.

[0041] Le diamètre interne du capotage 20 augmente dans une direction amont-aval entre l'extrémité amont du capotage 20 et une valeur maximale, puis diminue entre la valeur maximale et l'extrémité aval. Plus précisément, le rapport E'/E de la section d'entrée E' du capotage 20 sur la section d'entrée E du carénage est compris entre 1 et 3, de préférence entre 1,5 et 2,5, de préférence encore entre 1,8 et 2,2. Le rapport S'/S de la section de sortie S'du capotage 20 sur la section de sortie S du carénage est compris entre 1 et 3, de préférence entre 1,5 et 2,5, de préférence encore entre 1,8 et 2,2. le rapport M'/M de la section M' du capotage 20, correspondant au diamètre maximal interne du capotage 20, sur la section M correspondante du carénage est compris entre 1 et 2, de préférence entre 1,2 et 1,8, de préférence encore entre 1,4 et 1,6.

[0042] La présence de ce capotage 20 autour du carénage 10 de la turbomachine permet de créer un volume 30 de forme sensiblement annulaire entre la surface externe du carénage et la surface interne du capotage 20. En outre, lorsque le moteur 12 de la turbomachine est en fonctionnement, la présence du capotage 20 permet de créer une dépression au niveau des extrémités avals du capotage 20 et du carénage 10, illustrée par le cercle en pointillé sur la figure 3. Cette dépression engendre, par effet d'aspiration, un écoulement longitudinal autour du carénage 10 dans le volume annulaire 30 (cf. flèches 32 sur la figure 3), représentatif de l'effet d'avancement de la turbomachine 1 dans des conditions réelles, en vol. Cet écoulement autour du carénage 10 permet de modifier la forme du tube de courant incident à la turbomachine, et donc l'inclinaison des lignes de courant incidentes. Par conséquent, le point d'arrêt P est disposé davantage vers l'intérieur de la turbomachine, par rapport à une configuration dans laquelle le capotage 20 n'est pas présent.

[0043] La figure 4 représente le dispositif de la figure 3, dans lequel le capotage 20 est incliné par rapport à la turbomachine 1. Le capotage 20 est fixé de manière mobile à un bâti 22, par l'intermédiaire d'une liaison pivot 24. Le capotage 20 est ainsi fixé au bâti 22, indépendamment du capotage 20, ce dernier étant fixé à la structure fixe

2. Le capotage 20 peut donc être orienté par rapport au bâti 22, par exemple électriquement ou manuellement, de telle sorte à incliner l'axe A du capotage 20 par rapport à l'axe X du carénage 10. Cette inclinaison du capotage 20 a pour effet de créer une dissymétrie du volume annulaire 30 autour du carénage 10, et donc une dissymétrie de l'écoulement autour de celle-ci. Une telle dissymétrie peut exister dans les conditions réelles en vol, lorsque la turbomachine est inclinée par rapport à l'horizontal, par exemple. Le fait d'incliner le capotage 20 par rapport au carénage 10 permet de reproduire ces conditions, en créant un effet d'incidence des lignes de courant amont (cf. flèche 34 sur la fig. 4).

[0044] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'essais au sol pour turbomachine, comportant :

- Un moteur d'aéronef (12) s'étendant axialement d'une entrée d'air vers une tuyère ;

- Un capotage (20) présentant un axe de révolution (A) et entourant au moins partiellement le moteur (12) de telle sorte à créer un écoulement d'air annulaire entre le moteur (12) et le capotage (20) lorsque le moteur (12) est en fonctionnement;

- Un bâti (22) permettant de supporter le capotage (20).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le capotage (20) entoure le moteur (12) sur toute sa circonférence.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le capotage (20) présente une longueur supérieure ou égale à la longueur du moteur (12) suivant l'axe de rotation (X) du moteur.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le capotage (20) s'étend axialement plus loin vers l'aval que le moteur (12).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le rapport de la surface d'une section d'entrée (E^ du capotage (20) sur la surface d'une section d'entrée (E) du moteur (12) est compris entre 1 et 3.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le rapport de la surface d'une section de sortie (S') du capotage (20) sur la surface d'une section de sortie (S) du moteur (12) est compris entre 1 et 3.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le capotage (20) présente suivant son axe de révolution (A), entre sa section d'entrée (E') et sa section de sortie (S9, un diamètre maximum intérieur, le diamètre maximum intérieur étant supérieur au diamètre de la section d'entrée (E^ et au diamètre de la section de sortie (S').
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le rapport de la surface (M') d'une section du capotage (20) correspondant au diamètre maximum intérieur du capotage, sur la surface (M) d'une section du moteur (12) correspondant au diamètre maximum du moteur (12) est compris entre 1 et 2.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le capotage (20) est supporté par le bâti (22) de manière mobile, de telle sorte que l'axe de révolution (A) du capotage (20) peut être incliné par rapport à l'axe de rotation (X) du moteur (12).
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le capotage (20) est supporté par le bâti (22) de manière mobile, de telle sorte que le capotage (20) puisse se déplacer axialement par rapport au moteur (12), le long de l'axe de rotation (X) du moteur (12).
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comportant un organe de perte de charges configuré pour engendrer des pertes de charges sur au moins une portion de l'écoulement annulaire.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le moteur d'aéronef (12) est un réacteur double flux caréné, le capotage (20) entourant le carénage (10) du moteur (12).