FR3084462A1

FR3084462A1 - Ensemble d'essai refroidi

Info

Publication number: FR3084462A1
Application number: FR1856920A
Authority: FR
Inventors: Paul Gibaud Corentin; Louis Andre Acquaviva Jerome; Galadriel DANCIE
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2020-01-31
Anticipated expiration: 2038-07-25
Also published as: FR3084462B1

Abstract

L'invention concerne un ensemble d'essai comportant une chambre de combustion (6) d'axe X, caractérisé en ce qu'il comporte une veine (14) d'écoulement des gaz située en aval de la chambre de combustion (6), et un bras (18) s'étendant dans la veine (14) et configuré pour y recréer les conditions d'apparition d'une flamme. Un circuit intérieur de refroidissement permet un écoulement de fluide à l'intérieur du bras (18).

Description

ENSEMBLE D’ESSAI REFROIDI

DOMAINE [001] La présente invention concerne un ensemble d’essai destiné à la réalisation d’essais visant à caractériser le comportement d’une chambre de combustion d’une turbomachine à gaz pour aéronef.

CONTEXTE [002] Un tel ensemble d’essai comporte classiquement une chambre de combustion en aval de laquelle est agencée une veine annulaire (voire en secteur d’anneau) destinée à l’écoulement des gaz issus de la chambre de combustion.

[003] La présente invention vise à permettre la détection de flammes en aval de la chambre, à l’intérieur de la veine. En particulier, lorsque la chambre de combustion fonctionne avec un mélange d’air et de carburant fortement enrichi, c’est-à-dire comportant un excès de carburant, il convient de s’assurer qu’il n’existe pas de phénomène de rallumage du mélange en aval de la chambre de combustion.

[004] Pour cela, la Demanderesse a réalisé un bras dit « accrocheflamme », qui est monté en aval de la chambre de combustion, la forme et la position du bras étant étudiées de façon à créer des conditions favorisant l’apparition d’une flamme si les conditions indispensables à un tel phénomène sont présentes dans la veine.

[005] La conception d’un tel bras offrant un profil aérodynamique créateur de turbulences et pouvant être, avec ses accessoires, implanté (juste) en aval de la chambre de combustion s’est avérée délicate, compte tenu des conditions opérationnelles.

[006] Il a notamment fallu tenir compte de la température élevée des gaz dans la veine, de l’ordre de 1500°C et du besoin de savoir si une flamme est apparue au niveau dudit bras.

[007] A cet égard, il n’est par exemple pas possible de prévoir des surfaces vitrées en regard du bras de façon à pouvoir observer depuis l’extérieur de la veine. En effet, les suies produites lors des essais viendraient recouvrir les surfaces vitrées et empêcher toute observation.

RESUME DE L’INVENTION [008] L’invention vise à répondre à ce besoin de manière fiable, simple et peu onéreuse.

[009] A cet effet, elle concerne un ensemble d’essai comportant une chambre de combustion s’étendant autour d’un axe X (qui est l’axe de révolution de la turbomachine), l’ensemble étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre :

- une veine d’écoulement des gaz située en aval de la chambre de combustion et délimitée par une paroi radialement externe et par une paroi radialement interne,

- un bras s’étendant au moins en partie dans la veine, le bras étant configuré pour recréer les conditions d’apparition d’une flamme dans la veine, et comportant un circuit intérieur de refroidissement raccordés à des moyens extérieurs d’alimentation en fluide de refroidissement pour permettre un écoulement dudit fluide à l’intérieur du bras, le circuit de refroidissement étant situé au moins dans la partie du bras s’étendant dans la veine,

- des moyens d’identification aptes à repérer l’apparition d’une flamme dans la veine.

[010] Compte tenu de la position du bras en sortie de chambre, mais aussi des perturbations qui seraient induites par un air de refroidissement qui se perdrait dans la veine, une telle solution de refroidissement a été écartée.

[011] Il est plutôt proposé que le circuit intérieur de refroidissement comprenne, dans le bras, des canaux de circulation du fluide de refroidissement raccordés :

- à un canal d’arrivée du fluide de refroidissement alimenté par les moyens extérieurs d’alimentation en fluide de refroidissement,

- et à un canal de sortie du fluide de refroidissement.

[012] Ainsi, on n’aura notamment pas à prélever d’air dans la turbomachine pour refroidir le bras d’essai.

[013] Et pour éviter tout risque de fuite de fluide de refroidissement dans la veine, il est en outre proposé que ledit circuit intérieur de refroidissement soit un circuit fermé. Ainsi, les canaux de sortie et d’arrivée de fluide de refroidissement communiqueront, sans que les canaux de circulation intérieur communiquent avec l’extérieur (la veine en particulier).

[014] Pour favoriser, comme précité, un bras offrant un profil aérodynamique créateur de turbulences, il est en outre proposé que le bras comporte une structure saillante profilée :

- s’étendant radialement dans la veine, et

- présentant un bord d’attaque amont et un bord de fuite aval où débouche vers l’aval une zone en creux de la structure saillante profilée.

[015] Favorablement :

- la structure saillante profilée comportera une double paroi, favorisant ainsi une fabrication aisée, permettant des formes variées, y compris pour l’obtention du circuit intérieur de refroidissement qui sera au moins en partie ainsi défini, et/ou

- la structure saillante profilée présentera une distance axiale (D1) entre les bords d’attaque et de fuite, la zone en creux présentant alors une profondeur axiale au moins égale à 50% de cette distance axiale (D1), et/ou

- à l’endroit du bord de fuite, la structure saillante profilée comprend une surface transversale audit axe X, la zone en creux occupant au moins 50% de ladite surface transversale. Il a été testé que ceci permet un équilibre entre un effet thermique favorable sur la structure saillante et la création souhaitée des turbulences.

Pour mettre en place une partie des accessoires du bras, il est proposé que ledit ensemble d’essai comporte une enceinte renfermant des moyens de refroidissement de manière à abaisser la température dans l’enceinte par rapport à la température de la veine, ladite enceinte étant située axialement en aval de la chambre de combustion et étant radialement décalée par rapport à la veine.

[016] Dans une telle enceinte dont la température est plus basse, par exemple de l’ordre de 80°C, ce qui permet d’y implémenter l’électronique de détection de la flamme. La température de l’enceinte peut être contrôlée par tous moyens, par exemple par circulation d’air et/ou par circulation d’eau de refroidissement [017] Pour créer des conditions opératoires proches de la réalité, avec une chambre de combustion comportant un foyer dans lequel survient une combustion, le foyer se terminant par une ouverture de sortie délimitée par des brides respectivement radialement interne et externe de la chambre de combustion, il est par ailleurs conseillé:

- que le bras précité soit fixé à l’une desdites parois radialement externe et radialement interne, et

- que, dans la veine, une extrémité radiale du bras s’étende jusqu’en regard de l’ouverture de sortie du foyer, radialement entre les brides de la chambre de combustion.

[018] Les parois respectivement radialement externe et radialement interne peuvent être annulaires, comme dans la réalité opérationnelle. Une forme en secteur d’anneau est aussi possible.

[019] Avec en particulier une chambre de combustion annulaire sensiblement tronconique allant en divergeant par rapport à l’axe X, d’amont vers l’aval, alors que les parois (alors annulaires) radialement externe et radialement interne à l’une desquelles le bras est fixé sont parallèles à l’axe X, il sera possible d’améliorer les conditions opératoires, notamment en utilisant simplement un liquide commun, comme l’eau, pour refroidir comme précité intérieurement le bras.

[020] A ce sujet, il est même proposé :

- que l’enceinte soit située radialement à l’intérieur de la veine,

- que le bras soit fixé à ladite paroi radialement interne, et

- que le bras comprenne une partie radialement interne et une partie radialement externe fixées l’une à l’autre.

[021] L’ invention pourra être encore mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention pourront apparaître à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

- la figure 1 est une demi-vue en coupe d’une partie d’un ensemble d’essai selon une forme de réalisation de l’invention ;

- les figures 2 et 3 sont des vues en perspective et en coupe verticale suivant l’axe X d’une partie dudit ensemble d’essai ;

- la figure 4 est une vue en perspective de la partie radialement interne du bras, à l’endroit du plan de coupe V-V de la figure 3, seuls certains bâtonnets étant représentés ;

- la figure 5 est une vue schématique d’un ensemble d’essai selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE [022] Les figures 1 à 5 représentent un ensemble d’essai selon une forme de réalisation de l’invention. Cet ensemble d’essai comporte un carter 2 présentant notamment une partie, qui peut être annulaire, radialement interne 3 et une partie, qui peut être annulaire, radialement externe 4, d’axe X, délimitant une zone annulaire 5 dans laquelle est logée une chambre de combustion 6. Des conduits 70 d’amenée d’air s’étendant axialement débouchent à l’extrémité amont de la zone annulaire 5.

[023] La chambre de combustion 6 comporte une virole radialement interne 7 et une virole radialement externe 8, d’axe X, reliées à leurs extrémités amont par une paroi de fond annulaire 9. Des flasques annulaires 10 comportant des orifices 11 (figure 2) relient les extrémités aval des viroles 7, 8 (via les brides 61,63) aux parties radialement interne et externe 3, 4, respectivement, du carter 2. Les orifices 11 permettent le passage d’une partie de l’air débouchant dans la zone annulaire 5.

[024] La paroi de fond 9 de la chambre de combustion 6 est équipée de systèmes d’injection d’air et de carburant, comme cela est connu en soi, régulièrement répartis autour de l’axe X. Les système d’injection d’air et de carburant comportant des cannes 12 permettant l’amenée de carburant, fixées sur le carter 2, et des vrilles 13 permettant l’amenée d’air depuis la zone annulaire 5 ainsi que le mélange de cet air avec le carburant. Le foyer 60 de la chambre 6 où est réalisée la combustion est défini entre les viroles interne 7, externe 8 et la paroi de fond 9. Transversalement à l’axe X, là où il s’ouvre vers l’aval sur une veine 14, le foyer 60 se termine par une ouverture de sortie 61, qui peut être annulaire. L'ouverture de sortie 61 peut être délimitée périphériquement par les brides de fixation aval de la chambre de combustion 6 : brides radialement interne 63 et radialement externe 65 des viroles interne 7 et externe 8, respectivement.

[025] L’ ensemble d’essai comporte en effet en outre une veine 14 d’écoulement des gaz issus de la chambre de combustion 6, située en aval (suivant l’axe X) de ladite chambre de combustion 6 et du carter 2. La veine 14 est limitée par une paroi annulaire radialement externe 15, fixée directement ou indirectement au carter 2, et par une paroi annulaire radialement interne 16. La paroi interne 16 délimite également une enceinte 17 située radialement à l’intérieur de la veine 14. L’enceinte 17 est équipée de moyens de refroidissement, par exemple par l’intermédiaire d’air de refroidissement, permettant de limiter la température de l’enceinte 17 par rapport à la température au sein de la veine 14.

[026] Un bras 18 dit « accroche-flamme » est monté sur la paroi interne 16. [027] Le bras 18 comporte deux parties fixées l’une à l’autre, à savoir une partie radialement interne 19, fixée sur la paroi interne 16, et une partie radialement externe 20, fixée sur la partie interne 19. L’aspect radial est défini par rapport à l’axe X.

[028] Un joint plat d’étanchéité 21 est monté à l’interface entre les deux parties 19, 20, cette interface présentant ici une forme générale périphérique rectangulaire. L’interface est située dans la veine 14. En d’autres termes, la partie 19 s’étend partiellement dans la veine 14.

[029] La partie externe 20 comporte une base 20a à partir de laquelle une structure saillante profilée 20b s’étend radialement vers l’extérieur, ladite base 20a étant fixée à la partie interne 19 du bras 18. La structure saillante profilée 20b comporte un bord d’attaque 22 situé côté amont, et un bord de fuite 23, situé côté aval.

[030] La structure saillante profilée 20b comporte une zone en creux 24 débouchant vers l’aval à l’endroit du bord de fuite 23.

[031] Entre les bord d’attaque 22 et de fuite 23, la structure saillante profilée 20b peut s’évaser vers l’aval (voir figures 2-3). Au bord de fuite 23, elle présente une surface transversale formant un cadre (qui peut être défini par le rebord plan 185 ; voir ci-après) entourant entièrement la zone en creux 24. [032] Axialement :

- la structure saillante profilée 20b présente une distance D1 entre les bords d’attaque 22 et de fuite 23, et

- la zone en creux 24 présente une profondeur, D2.

[033] Pour maximiser la création de turbulences en liaison avec le profil sensiblement en « U » ouvert vers l’aval de la structure saillante profilée 20b, la profondeur D2 sera favorablement au moins égale à 50% de cette distance (D2>D1/2 ; voir figure 3).

[034] Quant à la surface de cette zone en creux 24, elle sera alors favorablement supérieure à celle du cadre ou rebord périphérique 185 ou, autrement dit, à l’endroit du bord de fuite 23, la structure saillante profilée 20b délimitera alors le contour d’une surface transversale audit axe X formée par le cadre 185 - dont la zone en creux 24 occupera au moins 50% de la surface transversale.

[035] La partie interne 19 du bras 18 comporte une base 19a, fixée à la base 20a de la partie externe 20, et à partir de laquelle une partie en saillie 19b s’étend radialement vers l’intérieur.

[036] Le bras 18 comporte des moyens de refroidissement, et en particulier un circuit 180 intérieur de refroidissement alimenté par des moyens 181 extérieurs d’alimentation en fluide de refroidissement auxquels le circuit 180 est raccordé; voir figure 3. Le circuit 180 comprend, dans la partie interne 19 du bras 18, un canal 25 d’arrivée de fluide de refroidissement situé en amont et un canal 26 de sortie de fluide de refroidissement, situé en aval, lesdits canaux 25, 26 étant orientés radialement et débouchant au niveau de l’extrémité interne de la partie en saillie 19b. Le canal de sortie 26 est en outre relié à une zone creuse 27 débouchant radialement vers l’extérieur. Comme cela est mieux visible à la figure 4, la zone creuse 27 comporte une rainure 28 s’étendant radialement et située en partie aval de la zone creuse 27.

[037] Pour éviter toute déperdition dans la veine 14, le circuit intérieur de refroidissement est ici un circuit fermé. Les canaux 25, 26 communiquent à l’extérieur du bras 18. Une pompe 182 peut y être placée, sur le circuit, avec un raccordement à un réservoir à fluide 184 (figure 3).

[038] La partie externe 20 du bras 18 comporte un canal amont 29 de circulation du fluide de refroidissement, relié au canal 25 d’arrivée de fluide par l’intermédiaire d’une douille 30 montée dans un logement de la partie externe 20.

[039] La structure 20b saillante profilée comporte une double peau ou double paroi incluant une peau (ou paroi) externe 31a et une peau (ou paroi) interne 31b (figure 3) délimitant entre elles une partie du circuit 180 intérieur de refroidissement. Ainsi, entre la peau externe 31a et la peau interne 31b il existe une zone 183 de circulation du fluide de refroidissement qui communique avec canal amont 29 et avec un canal de liaison 33. Dès lors que la peau interne 31 b est, dans la structure 20b, écartée de la peau externe 31a le long du côté amont (donc du bord d’attaque 22) et des côtés radialement externe et interne, mais aussi transversalement, la zone 183 forme un canal interne en U ouvert vers l’aval. Ce canal 183 est fermé à l’aval par un rebord périmétrique 185 de la peau interne 31b qui vient recouvrir le bord aval (qui serait sinon ouvert vers l’aval) de la peau externe 31a.

[040] Outre le canal de liaison 33 qui relie la zone creuse 32 et la zone située entre les deux peaux 31a, 31 b, la partie externe 20 comporte en outre une zone creuse 32 débouchant radialement vers l’intérieur et délimitant, avec la zone creuse 27 de la partie interne 19 du bras 18, une chambre globalement fermée dans lequel débouche le canal de sortie 26.

[041] En fonctionnement, de l’eau peut être utilisée en tant que fluide de refroidissement et peut circuler successivement au travers du canal d’arrivée 25, de la douille 30, du canal 29, de la zone située entre les peaux 31a, 32b, du canal de liaison 33, de la chambre 27, 32 et du canal de sortie 26, de manière à refroidir le bras 18.

[042] Pour créer des conditions opératoires proches de la réalité, il est par ailleurs conseillé:

- que le bras 18 soit fixé à l’une des parois annulaires radialement externe 15 et radialement interne 16, et

- que, dans la veine 14, une extrémité radiale du bras 18 s’étend en regard, de l’ouverture de sortie 61 du foyer 6, radialement entre les brides 61,63 des viroles radialement interne et externe 7, 8 de la chambre de combustion.

[043] Ainsi, avec en particulier une chambre de combustion annulaire comme imaginé figure 1 : sensiblement tronconique allant en divergeant par rapport à l’axe X, d’amont vers l’aval (direction 67), alors que les parois annulaires radialement externe 15 et radialement interne 16 à l’une desquelles le bras 18 est fixé sont parallèles à l’axe X, on va pouvoir améliorer les conditions opératoires, notamment en refroidissant :

- par de l’eau la paroi 15 (car directement impactée par les gaz chauds ; cf. direction 67),

- et par de l’air la paroi 16 à laquelle le bras 18 est fixé dans l’exemple privilégié.

[044] De fait, la saillie dans la veine 14 de la structure 20b sera favorablement telle que, radialement, par rapport à la paroi (ici 16) à laquelle la structure 20b est fixée, cette structure 20b se dresse elle sur une hauteur H1 telle que son extrémité libre 210 est située en regard, axialement, de l’ouverture 61 de sortie du foyer, mais pas au-delà : limite H2 (H1< H2) ; voir en particulier figures 1,2. Ainsi, radialement, l’essentiel de la structure 20b se dresse face à l’anneau virtuel axial des gaz sortant par l'ouverture 61.

[045] L’ensemble d’essai comporte en outre des moyens 340 d’identification permettant de repérer, voire d’afficher l’apparition d’une flamme dans la veine 14. Ces moyens peuvent comprendre des moyens de visualisation, notamment des moyens comprenant des bâtonnets 34 (figure 4) montés dans le bras 18.

[046] Les bâtonnets 34 sont rectilignes et réalisés dans un matériau apte à conduire la lumière et apte à résister aux températures élevées des gaz circulant dans la veine 14, par exemple 1500°C au moins. Les bâtonnets 34 peuvent être réalisés en saphir.

[047] Chaque bâtonnet 34 est logé dans un logement 35 rectiligne du bras 18 formé, pour partie, dans la partie interne 19, et pour partie, dans la partie externe 20.

[048] Les logements 35 des bâtonnets 34 débouchent dans la veine 14, au niveau de la base 20a, en aval de la structure saillante profilée 20b.

[049] Chaque bâtonnet 34 comporte une première extrémité radialement externe, orientée vers la veine 14 et affleurant la surface de la base 20a de la partie externe 20 au niveau de laquelle débouche le logement 35. Chaque bâtonnet 34 comporte en outre une seconde extrémité, radialement interne, située radialement dans l’enceinte 17, dans la partie interne 19 du bras 18, ou hors de ladite partie interne 19. Une première extrémité d’une fibre optique 36 est raccordée par tout moyen approprié à la seconde extrémité de chaque bâtonnet 34. La première extrémité de la fibre optique 36 est ainsi située dans la zone de l’enceinte 17, c’est-à-dire dans une zone dont la température est limitée. La température au sein de l’enceinte 17 est par exemple de l’ordre de 80°C en fonctionnement, tandis que la température au niveau de la veine 14 est de l’ordre de 1500°C.

[050] Les bâtonnets 34 forment un cône d’observation d’apparition d’une flamme dans la veine ouvert entre 30° et 45°.

[051] Les secondes extrémités des fibres optiques 36 coopèrent avec une caméra 37 (figure 5) de manière à former une image permettant de détecter une éventuelle présence de flamme en aval de la structure saillante profilée 20b.

Claims

REVENDICATIONS

1. Ensemble d’essai comportant une chambre de combustion (6) s’étendant autour d’un axe X, l’ensemble étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre :

- une veine (14) d’écoulement des gaz située en aval de la chambre de combustion (6) et délimitée par une paroi radialement externe (15) et par une paroi radialement interne (16),

- un bras (18) s’étendant au moins en partie dans la veine (14), le bras (18) étant configuré pour créer les conditions d’apparition d’une flamme dans la veine (14), et comportant un circuit intérieur de refroidissement raccordé à des moyens extérieurs d’alimentation en fluide de refroidissement pour permettre un écoulement dudit fluide à l’intérieur du bras (18), le circuit de refroidissement étant situé au moins dans la partie du bras (18) s’étendant dans la veine (14),

- des moyens d’identification pour repérer l’apparition d’une flamme dans la veine (14).
2. Ensemble d’essai selon la revendication 1, dans lequel le circuit intérieur de refroidissement comprend, dans le bras, des canaux de circulation du fluide de refroidissement raccordés à un canal d’arrivée (25) de fluide de refroidissement alimenté par les moyens extérieurs d’alimentation en fluide de refroidissement et un canal de sortie (26) de fluide de refroidissement qui communique avec le canal d’arrivée (25) de fluide de refroidissement.
3. Ensemble d’essai selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le circuit intérieur de refroidissement est un circuit fermé.
4. Ensemble d’essai selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le bras comporte une structure saillante profilée (20b) :

- s’étendant radialement dans la veine (14), et

- présentant un bord d’attaque (22) amont et un bord de fuite (23) aval où débouche vers l’aval une zone en creux (24) de la structure saillante profilée (20b).
5. Ensemble d’essai selon la revendication 4, dans lequel la structure saillante profilée (20b) comporte une double paroi.
6. Ensemble d’essai selon la revendication 5, dans lequel la double paroi définit au moins en partie le circuit (181) intérieur de refroidissement.
7. Ensemble d’essai selon la revendication 4, seule ou en combinaison avec l’une des revendications 5 ou 6, dans lequel :

- la structure saillante profilée (20b) présente une distance axiale (D1) entre les bords d’attaque (22) et de fuite (23), et

- la zone en creux (24) présente une profondeur axiale (D2) qui est égale à au moins 50% de la distance axiale (D1) de la structure saillante profilée (20b).
8. Ensemble d’essai selon la revendication 4, seule ou en combinaison avec l’une des revendications 5 à 7 dans lequel, à l’endroit du bord de fuite (23), la structure saillante profilée (20b) comprend une surface transversale (185) audit axe X, la zone en creux (24) occupant au moins 50% de la surface transversale (185).
9. Ensemble d’essai selon l’une des revendications précédentes, qui comporte en outre une enceinte (17) comportant des moyens de refroidissement de manière à abaisser la température dans l’enceinte (17) par rapport à la température de la veine (14), ladite enceinte (17) étant située axialement en aval de la chambre de combustion (6) et étant radialement décalée par rapport à la veine (14).
10. Ensemble d’essai selon l’une des revendications précédentes, dans lequel :

- la chambre de combustion (6) comporte un foyer (60) dans lequel survient une combustion,

- le foyer (60) se termine par une ouverture (61) de sortie délimitée par des brides (61,63) respectivement radialement interne et externe de la chambre de combustion (6),

- le bras (18) est fixé à l’une des parois radialement externe (15), et 5 radialement interne (16), et

- dans la veine (14), une extrémité radiale du bras (18) s’étend en regard de l’ouverture de sortie (61) du foyer (60), radialement entre les brides (61, 63) de la chambre de combustion (6).
11. Ensemble d’essai selon la revendication 9, seule ou en 10 combinaison avec la revendication 10, dans lequel :

- l’enceinte (17) est située radialement à l’intérieur de la veine (14),

- le bras (18) est fixé à la paroi radialement interne (16) et

- le bras (18) comprend une partie radialement interne (19) et une partie radialement externe (20) fixées l’une à l’autre.