FR3128289A1 - Mesureur intrusif pour turbomachine muni d'une membrane de compensation dynamique - Google Patents

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Abstract

La présente invention porte sur un mesureur intrusif (21) pour une turbomachine d'aéronef comportant: - un corps, et - une pluralité de buses de mesure (24) disposées le long du corps, et - une membrane de compensation dynamique (23) comprenant un pied (31) muni d'une interface de fixation (32) avec le corps du mesureur (21), un clapet amont (35) et un clapet aval (36) s'étendant de part et d'autre du pied (31), et au moins un perçage (40) traversant réalisé dans le pied (31) de la membrane de compensation dynamique (23) de façon à mettre en communication une cavité interne amont délimitée par une première portion du corps, le clapet amont (35) et le pied 31 avec une cavité interne aval délimitée par une deuxième portion du corps, le clapet aval (36) et le pied 31. Figure 5

Description

MESUREUR INTRUSIF POUR TURBOMACHINE MUNI D'UNE MEMBRANE DE COMPENSATION DYNAMIQUE
La présente invention porte sur un mesureur intrusif pour turbomachine muni d'une membrane de compensation dynamique.
La représente de façon schématique une turbomachine 10 du type à double flux et double corps à laquelle s'applique en particulier l'invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ce type particulier de turboréacteur et s'applique à d'autres architectures de turboréacteurs.
La turbomachine 10 comprend, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante 11, un ou plusieurs étages de compresseurs 12, une chambre de combustion 13, un ou plusieurs étages de turbines 15 et une tuyère d'échappement des gaz.
La turbomachine 10 comprend également un carter de soufflante 14, un carter intermédiaire 16 ayant, de façon connue en soi, une fonction structurale car les efforts sont transmis par son intermédiaire. En particulier, les moyens de fixation de la turbomachine 10 à la structure de l'avion dans la partie avant sont solidaires du carter intermédiaire 16. Le carter intermédiaire 16 se compose notamment d'un moyeu 17 et d'une virole annulaire extérieure 18 disposée de façon co-axiale autour du moyeu par rapport à l'axe X1 de la turbomachine 10.
La turbomachine 10 comprend en outre deux veines coaxiales d'écoulement de flux gazeux, à savoir une veine d'écoulement de flux primaire 19 (ou flux chaud), et une veine d'écoulement de flux secondaire 20 (ou flux froid).
Dans le cadre d'essais sur une turbomachine 10, il est parfois nécessaire de réaliser des mesures des grandeurs aérodynamiques, notamment de pression et de température, du flux gazeux s'écoulant dans les veines d'écoulement 19, 20.
A cet effet, on utilise des dispositifs de mesure connus généralement sous le nom de "mesureurs intrusifs" car ils sont immergés dans le flux d'air à mesurer dans différentes zones d'une veine d'écoulement 19, 20. Ces zones sont communément appelées "plans de mesure". En effet, le flux aérodynamique circulant dans une veine 19, 20 de la turbomachine 10 présente des caractéristiques différentes dans diverses zones de la veine, par exemple au niveau de la zone centrale de celle-ci, le long des parois délimitant la veine, en amont d'aubes de stator, etc.. Plusieurs dispositifs peuvent donc être nécessaires pour une cartographie complète des paramètres du flux dans la veine 19, 20. La illustre différents plans de mesure d'une turbomachine 10 d'aéronef référencés PL et suivis d'un numéro d'identification.
Un mesureur intrusif 21 classique de type "peigne" montré sur la et décrit dans le document FR3072169 est doté de différentes prises de mesures radiales. Les mesures de pression et de température sont réalisées simultanément à différentes valeurs de rayon dans le flux d’air de la veine 19, 20. En l'occurrence, le mesureur 21 comporte un corps 22 allongé s'étendant suivant un axe longitudinal X2 ainsi qu'une pluralité de buses de mesure 24 disposées le long du corps 22. Ces buses de mesure 24 intègrent des capteurs de mesure de pression et de température.
Les pertes aérodynamiques créées par la présence du mesureur 21 dans la veine d'écoulement 19 ou 20 perturbent l'écoulement lorsqu'il pénètre dans la turbomachine 10, ce qui a pour conséquence de perturber le fonctionnement de la turbomachine 10 et de fausser les mesures de grandeurs aérodynamiques. Comme cela est illustré par la , l’optimisation aérodynamique des mesureurs 21 conduit à les affiner aux limites des critères de dimensionnement et à les doter de profils de section aérodynamique dite de type "NACA".
L’expérience en essai montre que ce type de mesureur 21 a une propension aux couplages vibratoires d’origine aéroélastique. Pour surveiller le comportement vibratoire des mesureurs, ces derniers sont équipés de jauges d’extensométrie. A l’aide d’une analyse de post-traitement effectuée par transformée de Fourrier, il est possible de suivre le niveau de contrainte dynamique instantané du peigne et de le comparer à un seuil limite SL correspondant à une limite d’endurance vibratoire admissible.
En pratique, on observe régulièrement en essai une réponse vibratoire sur le 1er mode de flexion tangentielle du mesureur 21 au-delà du seuil limite d'endurance vibratoire. La illustre ainsi le dépassement du seuil limite d'endurance vibratoire SL lors d'un phénomène de flottement aéroélastique (cf. zone Z_flot). L’impact sur la campagne d’essai peut être conséquent, dans la mesure où certains régimes de fonctionnement de la turbomachine 10 peuvent être interdits pour assurer la sureté de fonctionnement du moteur.
L'invention vise notamment à remédier efficacement aux inconvénients précités en proposant un mesureur intrusif pour une turbomachine d'aéronef comportant:
- un corps, et
- une pluralité de buses de mesure disposées le long du corps, et
- une membrane de compensation dynamique comprenant un pied muni d'une interface de fixation avec le corps du mesureur, un clapet amont et un clapet aval s'étendant de part et d'autre du pied, et au moins un perçage traversant réalisé dans le pied de la membrane de compensation dynamique de façon à mettre en communication une cavité interne amont délimitée par une première portion du corps, le clapet amont et le pied avec une cavité interne aval délimitée par une deuxième portion du corps, le clapet aval et le pied.
L'invention permet ainsi que la résultante d’effort aérodynamique sous la membrane de compensation dynamique réduise les contraintes mécaniques auxquelles est soumis le mesureur intrusif. En outre, la membrane de compensation dynamique n’ayant pas la même réponse fréquentielle que le corps du mesureur du fait de la différence de matériaux, l'invention permet de casser des modes vibratoires défavorables en la positionnant à différents niveaux du mesureur.
Selon une réalisation de l'invention, le ou les perçages sont inclinés de façon à pouvoir orienter un flux d'air vers une moitié supérieure du clapet aval.
Selon une réalisation de l'invention, la membrane de compensation dynamique est fixée sur un côté du corps le moins sollicité aérodynamiquement.
Selon une réalisation de l'invention, la membrane de compensation dynamique est réalisée dans un matériau élastomère. En variante, il est possible d'utiliser un matériau plus rigide. Dans ce cas, on prévoit un système de mobilité de type pivot en indépendance des clapets amont et aval.
Selon une réalisation de l'invention, l'interface de fixation présente une forme en queue d’aronde destinée à coopérer avec un logement de forme correspondante réalisée dans le corps dudit mesureur intrusif. En variante, l'interface de fixation pourra consister en un système bridé par vis ou un collage.
Selon une réalisation de l'invention, lorsque la membrane de compensation dynamique est dans un état repos, c’est-à-dire un état non sollicité par un mode propre d'une partie du mesureur intrusif, le clapet amont et le clapet aval se situent dans un prolongement d'une face externe du corps.
Selon une réalisation de l'invention, les buses de mesure comportent des capteurs de température et de pression.
Selon une réalisation de l'invention, le corps du mesureur comporte un bord d'attaque de forme arrondi et deux faces longitudinales issues du bord d'attaque se rejoignant en une arrête qui constitue un bord de fuite.
Selon une réalisation de l'invention, le corps est creux pour permettre un cheminement de lignes d'instrumentation à l'intérieur dudit corps.
L'invention a également pour objet un ensemble de test comportant une turbomachine et un mesureur intrusif tel que précédemment défini.
La présente invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées, présentées à titre d’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de la présente invention et l’exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition, sur lesquelles:
La , déjà décrite, est une vue schématique en coupe partielle d'une turbomachine d'aéronef illustrant différents plans de mesure dans lesquels sont effectués des relevés de pression et de température;
La , déjà décrite, montre un mesureur intrusif selon l'état de la technique utilisé pour effectuer des mesures de pression et de température dans un plan de mesure de la turbomachine;
La , déjà décrite, est une vue de dessus d'un exemple de mesureur intrusif profilé;
La , déjà décrite, est une représentation graphique, en fonction d'un régime d'une turbomachine, d'un niveau de contrainte subi par un mesureur intrusif lors d'un essai:
La est une vue en coupe transversale schématique d'un mesureur intrusif selon l'invention muni d'une membrane de compensation dynamique;
La est une vue en coupe transversale détaillée d'une membrane de compensation dynamique selon l'invention;
Les figures 7 et 8 sont respectivement une vue d'ensemble et une vue détaillée illustrant le passage d'un flux d'air à l'intérieur de la membrane de compensation dynamique selon la présente invention.
Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. Par ailleurs, les termes "amont" et "aval" sont entendus par référence à un sens d'écoulement des gaz à l'intérieur d'une turbomachine dans laquelle est installé le mesureur intrusif.
La montre un mesureur intrusif 21 comportant un corps 22 sur lequel est fixée une membrane de compensation dynamique 23. Le mesureur intrusif 21 comporte également une pluralité de buses de mesure 24 intégrant des capteurs de mesure de pression et de température. Le mesureur intrusif 21 pourra par exemple être positionné à l'intérieur de la veine d'écoulement de flux secondaire 20 au niveau de la soufflante 11 (cf. .)
Plus précisément, le corps 22 de forme allongée s'étend suivant un axe longitudinal X2. Le corps 22 comporte un bord d'attaque 26 de forme arrondi, notamment en forme de portion de cylindre. Deux faces longitudinales 27, 28 issues du bord d'attaque 26 se rejoignent en une arrête 30 qui constitue le bord de fuite lorsque le mesureur 21 est positionné dans la veine d'écoulement. Ainsi, le bord de fuite 30 est situé suffisamment loin en aval pour éviter le décollement du flux d'air.
Les buses de mesure 24 sont disposées le long du corps 22 au niveau du bord d'attaque 26. Les buses de mesure 24 s'étendent en saillie par rapport au corps 22. Les capteurs de mesure de température associés aux buses de mesure 24 pourront prendre la forme de capteurs thermocouples. Les capteurs de pression pourront être constitués par des tubes d'instrumentation, tels que des sondes de Kiel. Les éléments sensibles des capteurs s'étendent en dehors du corps 22 au niveau du bord d'attaque. Les capteurs sont reliés à un calculateur (non représenté) assurant le traitement des données mesurées par l'intermédiaire de lignes d'instrumentation.
Avantageusement, le corps 22 est creux pour permettre un cheminement de lignes d'instrumentation (non représentées) à l'intérieur du corps 22. Le corps 22 pourra être réalisé dans un matériau en métal ou dans un matériau céramique. Le corps 22 pourra être réalisé en une seule ou plusieurs parties.
Par ailleurs, la membrane de compensation dynamique 23 est destinée à être fixée sur un côté du corps 22 le moins sollicité aérodynamiquement. Avantageusement, la membrane de compensation dynamique 23 est réalisée dans un matériau souple, tel qu'un matériau élastomère ou tout autre matériau adapté à l'application. Il est notamment possible d'utiliser un matériau plus rigide. Dans ce cas, on prévoit un système de mobilité de type pivot en indépendance des clapets amont et aval 35, 36.
Plus précisément, comme on peut le voir sur la , la membrane de compensation dynamique 23 comprend un pied 31 muni d'une interface de fixation 32 avec le corps 22 du mesureur 21. La membrane 23 comporte également un clapet amont 35 et un clapet aval 36 s'étendant de part et d'autre du pied 31. Dans l'exemple représenté, l'interface de fixation 32 présente une forme en queue d’aronde, c’est-à-dire qu'elle présente une section de forme trapézoïdale. La queue d'aronde 32 est destinée à coopérer avec un logement 37 de forme correspondante réalisé dans le corps 22. Le logement 37 pourra être réalisé dans un méplat 38 du corps 22 du mesureur 21. Toute autre forme d'interface de fixation 32 adaptée à l'application, telle qu'une forme de pied de sapin, pourra être utilisée. En variante, l'interface de fixation 32 pourra consister en un système bridé par vis ou un collage.
De préférence, une pluralité de perçages 40 traversants sont réalisés dans le pied 31 de la membrane de compensation dynamique 23 de façon à mettre en communication une cavité interne amont 41 avec une cavité interne aval 42. La cavité interne amont 41 est délimitée par une première portion du corps 22, le clapet amont 35 et le pied 31. La cavité interne aval 42 est délimitée par une deuxième portion du corps 22, le clapet aval 36 et le pied 31.
Comme on peut le voir sur la , un perçage 40 est incliné de façon à pouvoir orienter un flux d'air vers une moitié supérieure du clapet aval 36. Les termes "supérieur" et "inférieur" sont entendus par référence à l'interface de fixation 32 du pied 31: la moitié inférieure du clapet aval 36 étant la moitié la plus proche de l'interface de fixation 32 et la moitié supérieure du clapet aval 36 étant la moitié la plus éloignée de l'interface de fixation 32.
A cette fin, un perçage 40 est incliné vers la chambre amont 41. Un perçage 40 présente un axe X3 formant un angle non nul par rapport à une direction D perpendiculaire à l'axe X2. Les perçages 40 permettent d’augmenter la pression entre l’amont et l’aval du pied 31, favorisant le soulèvement du clapet amont 35.
Lorsque la membrane de compensation dynamique 23 est dans un état repos, c’est-à-dire un état non sollicité par un mode propre d'une partie du mesureur intrusif 21, le clapet amont 35 et le clapet aval 36 se situent dans un prolongement d'une face externe du corps 22.
Comme cela est illustré par les figures 7 et 8, lors d'un fonctionnement de la turbomachine 10, le mesureur intrusif 21 disposé à l'intérieur d'une veine 19, 20 se déforme et entre en vibration, de sorte que le clapet amont 35 se décolle par rapport au corps 22 et ouvre la cavité interne amont 41 de la membrane 23. Le flux d'air F va s’engouffrer puis se comprimer pour passer à travers les perçages 40 augmentant la pression à l'intérieur de la cavité aval 42 située sous le clapet aval 36 avant de s’échapper pour retourner vers la soufflante.
Ainsi, comme on peut le voir sur la , la résultante d’effort aérodynamique R sous la membrane de compensation dynamique 23 allège les contraintes mécaniques auxquelles est soumis le mesureur 21. En outre, cette membrane de compensation dynamique 23 n’ayant pas la même réponse fréquentielle que le corps 22 du mesureur 21 du fait de la différence de matériaux, la membrane de compensation dynamique 23 permet de casser des modes vibratoires défavorables en la positionnant à différents niveaux du corps 22 du mesureur intrusif 21.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
En outre, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association.

Claims (10)

  1. Mesureur intrusif (21) pour une turbomachine (10) d'aéronef comportant:
    - un corps (22), et
    - une pluralité de buses de mesure (24) disposées le long du corps (22),
    caractérisé en ce que ledit mesureur (21) comporte en outre une membrane de compensation dynamique (23) comprenant un pied (31) muni d'une interface de fixation (32) avec le corps (22) du mesureur (21), un clapet amont (35) et un clapet aval (36) s'étendant de part et d'autre du pied (31), et au moins un perçage (40) traversant réalisé dans le pied (31) de la membrane de compensation dynamique (23) de façon à mettre en communication une cavité interne amont (41) délimitée par une première portion du corps (22), le clapet amont (35) et le pied 31 avec une cavité interne aval (42) délimitée par une deuxième portion du corps (22), le clapet aval (36) et le pied 31.
  2. Mesureur intrusif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les perçages (40) sont inclinés de façon à pouvoir orienter un flux d'air vers une moitié supérieure du clapet aval (36).
  3. Mesureur intrusif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la membrane de compensation dynamique (23) est fixée sur un côté du corps (22) le moins sollicité aérodynamiquement.
  4. Mesureur intrusif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la membrane de compensation dynamique (23) est réalisée dans un matériau élastomère.
  5. Mesureur intrusif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'interface de fixation (32) présente une forme en queue d’aronde destinée à coopérer avec un logement (37) de forme correspondante réalisée dans le corps (22) dudit mesureur intrusif (21).
  6. Mesureur intrusif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lorsque la membrane de compensation dynamique (23) est dans un état repos, le clapet amont (35) et le clapet aval (36) se situent dans un prolongement d'une face externe du corps (22).
  7. Mesureur intrusif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les buses de mesure (24) comportent des capteurs de température et de pression.
  8. Mesureur intrusif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le corps (22) du mesureur (21) comporte un bord d'attaque (26) de forme arrondi et deux faces longitudinales (27, 28) issues du bord d'attaque (26) se rejoignant en une arrête (30) qui constitue un bord de fuite.
  9. Mesureur intrusif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le corps (22) est creux pour permettre un cheminement de lignes d'instrumentation à l'intérieur dudit corps (22).
  10. Ensemble de test comportant une turbomachine (10) et un mesureur intrusif (21) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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