FR2995996A1 - Measurement device for measuring parameters of combustion chamber of gas turbine engine mounted on test bench, has elbow connecting rectilinear portions of tube, where elbow presents oblong section - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de mesure destiné à mesurer des paramètres d'une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz montée sur un banc d'essais comportant un tube comprenant deux portions reliées par un coude, la deuxième portion comportant un premier élément tubulaire avec une ouverture à son extrémité dans lequel sont disposés des moyens de mesure de pression et/ou température, le dispositif de mesure étant caractérisé par le fait que le coude présente une section oblongue.The invention relates to a measuring device for measuring parameters of a gas turbine engine combustion chamber mounted on a test bench comprising a tube comprising two portions connected by an elbow, the second portion comprising a first element. tubular with an opening at its end in which are disposed means for measuring pressure and / or temperature, the measuring device being characterized in that the elbow has an oblong section.
Description
Domaine technique La présente invention concerne un dispositif de mesure destiné à être utilisé lors des essais d'une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz. En outre, l'invention concerne également une méthode de conception pour un tel dispositif de mesure.Technical Field The present invention relates to a measuring device for use in the testing of a combustion chamber of a gas turbine engine. In addition, the invention also relates to a design method for such a measuring device.
Etat de la technique et exposé du problème Lors du développement d'un moteur à turbine à gaz, il est primordial de mesurer les performances de sa chambre de combustion. Il est notamment important de réaliser une cartographie des pressions et températures du flux des gaz issus de la combustion du kérosène sortant de la chambre de combustion.STATE OF THE ART AND PRESENTATION OF THE PROBLEM When developing a gas turbine engine, it is essential to measure the performance of its combustion chamber. It is particularly important to map the pressures and temperatures of the gas flow from the combustion of kerosene leaving the combustion chamber.
Afin de réaliser cette cartographie, il est connu d'utiliser des dispositifs de mesure comportant un tube rectiligne ayant une section circulaire à l'extrémité duquel se situe une ouverture. Des moyens de mesure, par exemple un tube de pression et/ou un thermocouple, parcourent le tube jusqu'à l'ouverture ; la mesure est alors réalisée au niveau de celle-ci. Il est mesuré des températures pouvant aller jusqu'à 1600 °C. Ces mesures sont réalisées dans ce qui est appelé le plan de sortie 102 de la chambre de combustion, comme on peut le voir sur la figure 1. La position du dispositif de mesure, par rapport à l'axe de la chambre de combustion, est caractérisée par son rayon d'immersion. En outre, l'orientation du dispositif de mesure, toujours par rapport à l'axe moteur, est déterminée par les angles alpha et béta, respectivement appelés angle d'incidence et angle de dérapage.In order to carry out this mapping, it is known to use measuring devices comprising a rectilinear tube having a circular section at the end of which is an opening. Measuring means, for example a pressure tube and / or a thermocouple, run through the tube until the opening; the measurement is then performed at this level. Temperatures up to 1600 ° C are measured. These measurements are made in what is called the outlet plane 102 of the combustion chamber, as can be seen in FIG. 1. The position of the measuring device, with respect to the axis of the combustion chamber, is characterized by its immersion radius. In addition, the orientation of the measuring device, always with respect to the motor axis, is determined by the angles alpha and beta, respectively called angle of incidence and angle of slip.
Le dispositif de mesure est placé directement dans le flux généré par la chambre de combustion ce qui engendre une perturbation aérodynamique. Par conséquent, le flux mesuré a des caractéristiques différentes du flux habituel sortant de la chambre de combustion, et ceci du fait de la perturbation créée par le dispositif de mesure. D'autre part, le flux de combustion génère deux plages de fréquence : une liée aux instabilités de combustion et une autre due au système d'injection de carburant. Ces fréquences font vibrer le dispositif de mesure et ce phénomène vibratoire est d'autant plus important que le rayon d'immersion est petit. Autrement dit, plus le porte-à-faux du dispositif de mesure est important et plus ce dernier est sujet aux vibrations engendrées par les fréquences produites par la chambre de combustion. Par conséquent, la mesure est perturbée et les pressions et/ou températures relevées sont peu précises.The measuring device is placed directly in the flow generated by the combustion chamber which generates an aerodynamic disturbance. Therefore, the measured flow has different characteristics of the usual flow out of the combustion chamber, and this due to the disturbance created by the measuring device. On the other hand, the combustion flow generates two frequency ranges: one related to the instabilities of combustion and another due to the fuel injection system. These frequencies vibrate the measuring device and this vibratory phenomenon is all the more important that the immersion radius is small. In other words, the larger the cantilever of the measuring device, the more the latter is subject to the vibrations generated by the frequencies produced by the combustion chamber. As a result, the measurement is disturbed and the pressures and / or temperatures recorded are not very precise.
Exposé de l'invention L'invention propose de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de mesure destiné à mesurer des paramètres d'une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz montée sur un banc d'essais comportant un tube comprenant deux portions reliées par un coude, la deuxième portion comportant un premier élément tubulaire avec une ouverture à son extrémité dans lequel sont disposés des moyens de mesure de pression et/ou température, le dispositif de mesure étant caractérisé par le fait que le coude présente une section oblongue. De cette manière, la perturbation aérodynamique du flux, due au dispositif de mesure, est diminuée. En outre, la stabilité du dispositif de mesure est améliorée et ce dernier est moins sensible aux vibrations liées aux fréquences générées lors de la combustion. Conformément à une autre caractéristique, la première portion ou la deuxième portion est rectiligne. Conformément à une autre caractéristique, la première portion et la deuxième portion sont rectilignes. Plus particulièrement, le coude a son grand axe dans le plan défini par les axes des deux portions rectilignes. Conformément à une autre caractéristique, le dispositif de mesure comporte un second élément tubulaire intercalé entre l'élément tubulaire et le coude présentant une section oblongue. Plus particulièrement, le dispositif de mesure comporte un coude ayant une section oblongue présentant un rapport entre sa plus grande longueur et sa plus grande largeur compris entre 1,25 et 2,25. Conformément à une autre caractéristique, l'axe de la première portion rectiligne et l'axe de la deuxième portion rectiligne forme un angle droit.DISCLOSURE OF THE INVENTION The invention proposes to overcome the aforementioned drawbacks. For this purpose, the invention relates to a measuring device for measuring parameters of a gas turbine engine combustion chamber mounted on a test bench comprising a tube comprising two portions connected by an elbow, the second portion comprising a first tubular element with an opening at its end in which pressure and / or temperature measuring means are arranged, the measuring device being characterized in that the elbow has an oblong section. In this way, the aerodynamic disturbance of the flow, due to the measuring device, is reduced. In addition, the stability of the measuring device is improved and the latter is less sensitive to vibrations related to the frequencies generated during combustion. According to another characteristic, the first portion or the second portion is rectilinear. According to another characteristic, the first portion and the second portion are rectilinear. More particularly, the elbow has its major axis in the plane defined by the axes of the two rectilinear portions. According to another characteristic, the measuring device comprises a second tubular element inserted between the tubular element and the elbow having an oblong section. More particularly, the measuring device comprises a bend having an oblong section having a ratio between its greatest length and its largest width between 1.25 and 2.25. According to another characteristic, the axis of the first rectilinear portion and the axis of the second rectilinear portion forms a right angle.
Conformément à une autre caractéristique, le coude est formé de deux demi-coquilles assemblées entre elles. L'invention porte également sur une méthode de conception d'un dispositif de mesure caractérisée par le fait qu'elle comporte les étapes suivantes : - déterminer les plages de fréquences Fi et F2 générées par la chambre de combustion (107) lors de son fonctionnement ; - se fixer une fréquence propre FO du dispositif de mesure (201) en dehors des plages de fréquences Fi et F2; - configurer la plus grande longueur (701) et la plus petite longueur (702) du coude (203) afin d'obtenir la fréquence propre FO.According to another characteristic, the elbow is formed of two half-shells assembled together. The invention also relates to a method of designing a measuring device characterized in that it comprises the following steps: - determining the frequency ranges Fi and F2 generated by the combustion chamber (107) during its operation ; setting a natural frequency FO of the measuring device (201) outside the frequency ranges Fi and F2; - configure the largest length (701) and the shortest length (702) of the elbow (203) to obtain the natural frequency FO.
Brève description des figures L'invention sera mieux comprise et d'autres buts et détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement avec la description explicative détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels La figure 1 représente partiellement, en demi-coupe axiale, un banc d'essai pour chambre de combustion ; La figure 2 représente partiellement, en demi-coupe axiale, une chambre de combustion et le dispositif de mesure ; La figure 3 représente une vue simplifiée de la figure 2 du dispositif de mesure ; La figure 4 représente une vue simplifiée de dessus de la figure 2 du dispositif de mesure ; La figure 5 représente en perspective le dispositif de mesure ; La figure 6 représente une vue éclatée d'une partie détaillée du dispositif de mesure de la figure 5 ; La figure 7 représente une vue de face d'une partie du dispositif de mesure de la figure 5. La figure 8 représente un diagramme des fréquences générées par la chambre de combustion et du dispositif de mesure en fonction du régime moteur. Description détaillée de l'invention Afin de simplifier la description qui suit, il est défini les trois axes standards dans un trièdre direct : l'axe X correspondant à l'axe de la chambre de combustion 107, les axes Y et Z découlant directement de l'axe X. En se reportant à la figure 1, on voit un banc d'essai 106 pour une chambre de combustion 107 de moteur à turbine à gaz. Un système d'injection de carburant 108 dans la chambre de combustion est situé à proximité de celle-ci, de manière radialement extérieure.BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES The invention will be better understood and other objects and details, features and advantages thereof will become more apparent with the following detailed explanatory description of an embodiment of the invention given as a purely illustrative and non-limiting example, with reference to the accompanying schematic drawings, in which Figure 1 partially shows, in axial half-section, a test bench for combustion chamber; Figure 2 partially shows, in axial half-section, a combustion chamber and the measuring device; Figure 3 shows a simplified view of Figure 2 of the measuring device; Figure 4 shows a simplified top view of Figure 2 of the measuring device; Figure 5 shows in perspective the measuring device; Fig. 6 is an exploded view of a detailed part of the measuring device of Fig. 5; FIG. 7 represents a front view of part of the measuring device of FIG. 5. FIG. 8 represents a diagram of the frequencies generated by the combustion chamber and the measuring device as a function of the engine speed. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In order to simplify the description that follows, the three standard axes are defined in a direct trihedron: the axis X corresponding to the axis of the combustion chamber 107, the Y and Z axes arising directly from the axis X. Referring to Figure 1, there is shown a test bench 106 for a combustion chamber 107 of gas turbine engine. A fuel injection system 108 in the combustion chamber is located proximate thereto, radially outwardly.
Ce système 108 est composé de lyres 109, destinées à amener le carburant vers les injecteurs 110. Le carburant est ensuite injecté dans la chambre de combustion par l'intermédiaire du nez d'injection 111. On peut également voir le plan de sortie 102 de la chambre de combustion par laquelle sont évacués les produits de combustion.This system 108 is composed of lyres 109, intended to bring the fuel to the injectors 110. The fuel is then injected into the combustion chamber via the injection nose 111. One can also see the exit plane 102 of the combustion chamber through which the products of combustion are evacuated.
En se reportant à la figure 2, on voit une représentation partielle de la chambre de combustion 107. Un exemple de dispositif de mesure 201, selon l'invention, y est représenté, il comporte notamment une première portion rectiligne 202, une deuxième portion rectiligne 204 et un coude 203 reliant les première et deuxième portions rectilignes. On peut également voir le rayon d'immersion 101 qui est défini par le rayon entre l'axe de la chambre de combustion 107 et l'axe de la deuxième portion rectiligne 204. En outre, l'extrémité 206 de la deuxième portion rectiligne 204 est sensiblement située dans le plan de sortie 102 de la chambre de combustion 107. La figure 3 montre une représentation simplifiée du dispositif de mesure 201. On y voit l'angle d'incidence 103, il s'agit de l'angle que fait l'axe de la deuxième portion rectiligne 204 avec l'axe de la chambre de combustion 107 dans un plan parallèle à ce dernier et passant par l'axe 301 du dispositif de mesure. La distance entre l'axe de la chambre de combustion 107 et l'extrémité 206 de la deuxième portion rectiligne 204 correspond au rayon d'immersion 101. La figure 4 montre une représentation simplifiée du dispositif de mesure 201. On y voit l'angle de dérapage 104, celui-ci étant défini par l'angle que fait l'axe de la deuxième portion rectiligne 204 et l'axe de la chambre de combustion 107 dans un plan parallèle à ce dernier et orthogonal à l'axe 301 du dispositif de mesure. Sur la figure 5, on peut voir de manière détaillée le dispositif de mesure représenté sur la figure 2, selon un mode de réalisation de l'invention. On y voit la première portion rectiligne 202 qui s'étend d'une arrivée d'air de ventilation 501 au coude 203. Le coude 203 relie la première portion rectiligne 202 et la deuxième portion rectiligne 204. A l'extrémité de celle-ci se trouve un premier élément tubulaire 205 avec une ouverture à son extrémité 206 dans lequel sont logés des moyens de mesure de pression et/ou de température (non représentés), par exemple des capteurs de pression et/ou de température habituellement utilisés pour ce type de mesure. L'extrémité 206 du premier élément tubulaire 205 est axialement positionnée sensiblement dans le plan de sortie 102 de la chambre de combustion 107 de manière à effectuer des mesures de pression et/ou température sur les produits de combustion sortants.Referring to FIG. 2, a partial representation of the combustion chamber 107 is shown. An exemplary measuring device 201, according to the invention, is represented therein, it notably comprises a first straight portion 202, a second straight portion 204 and a bend 203 connecting the first and second rectilinear portions. We can also see the immersion radius 101 which is defined by the radius between the axis of the combustion chamber 107 and the axis of the second straight portion 204. In addition, the end 206 of the second straight portion 204 is substantially located in the outlet plane 102 of the combustion chamber 107. FIG. 3 shows a simplified representation of the measuring device 201. It shows the angle of incidence 103, which is the angle that the axis of the second straight portion 204 with the axis of the combustion chamber 107 in a plane parallel to the latter and passing through the axis 301 of the measuring device. The distance between the axis of the combustion chamber 107 and the end 206 of the second straight portion 204 corresponds to the immersion radius 101. FIG. 4 shows a simplified representation of the measuring device 201. It shows the angle skid 104, the latter being defined by the angle that the axis of the second straight portion 204 and the axis of the combustion chamber 107 in a plane parallel to the latter and orthogonal to the axis 301 of the device measurement. In Figure 5, one can see in detail the measuring device shown in Figure 2, according to one embodiment of the invention. It shows the first rectilinear portion 202 which extends from a ventilation air inlet 501 to the elbow 203. The elbow 203 connects the first straight portion 202 and the second straight portion 204. At the end thereof is a first tubular element 205 with an opening at its end 206 in which are housed means for measuring pressure and / or temperature (not shown), for example pressure and / or temperature sensors usually used for this type measurement. The end 206 of the first tubular element 205 is axially positioned substantially in the outlet plane 102 of the combustion chamber 107 so as to make pressure and / or temperature measurements on the outgoing combustion products.
L'arrivée d'air de ventilation 501 permet de refroidir le dispositif de mesure étant donné que ce dernier est soumis à des températures de l'ordre de 1600 °C. Celle-ci permet ainsi de maintenir une température en dessous de 1100°C afin de limiter l'abaissement des caractéristiques mécaniques des matériaux employés dû à la température élevée et également de maintenir une température permettant de conserver l'intégrité des composants, des soudures et des brasures. En outre, il comporte également une clavette 503 permettant de fixer le dispositif de mesure 201 sur une plaque (non représentée). Quant à l'angle de dérapage 104, celui-ci est réglé lors de l'assemblage du dispositif de mesure : le coude 203 est positionné angulairement par rapport à l'axe 504 de la première portion rectiligne 202 en fonction de la mesure à effectuer. L'axe de la première portion rectiligne 202 et l'axe de la deuxième portion rectiligne 204 forment un angle droit. La figure 6 montre une vue éclatée de l'extrémité du dispositif de mesure 201. On y voit l'extrémité de la première portion rectiligne 202 sur laquelle est fixée un tube de changement de section 601, celui-ci comprend, sur son extrémité supérieure, une section circulaire 602 sensiblement identique à celle de la première portion rectiligne circulaire 202 et, sur son extrémité inférieure, une section oblongue 603 sensiblement identique à celle de la section oblongue du coude 203.The ventilation air inlet 501 makes it possible to cool the measuring device since the latter is subjected to temperatures of the order of 1600 ° C. This thus makes it possible to maintain a temperature below 1100 ° C in order to limit the lowering of the mechanical characteristics of the materials used due to the high temperature and also to maintain a temperature which makes it possible to maintain the integrity of the components, welds and solders. In addition, it also comprises a key 503 for fixing the measuring device 201 on a plate (not shown). As for the skid angle 104, it is adjusted during assembly of the measuring device: the bend 203 is positioned angularly with respect to the axis 504 of the first straight portion 202 as a function of the measurement to be made . The axis of the first rectilinear portion 202 and the axis of the second straight portion 204 form a right angle. FIG. 6 shows an exploded view of the end of the measuring device 201. It shows the end of the first rectilinear portion 202 on which is fixed a section change tube 601, which comprises, on its upper end , a circular section 602 substantially identical to that of the first circular rectilinear portion 202 and, at its lower end, an oblong section 603 substantially identical to that of the oblong section of the elbow 203.
Sur la figure 6, on peut également voir le coude 203 comprenant deux demi-coquilles 604 permettant de faciliter le cheminement des fils de mesure (non représentés) ainsi que sa fabrication. En effet, le travail de mise en forme, par cintrage, du coude 203 à section oblongue est plus aisé lorsque celui-ci est composé de deux-demi coquilles ; un tube oblong monobloc serait plus difficile à travailler. Par ailleurs, une configuration en demi-coquille permet d'insérer facilement des petits supports de guidage de fils de mesure à l'intérieur du coude 203. Le dispositif de mesure 201 comprend également, entre l'élément tubulaire 205 et le coude 203, un second élément tubulaire 605, s'étendant longitudinalement par rapport à l'axe de la deuxième portion rectiligne 204. Le second élément tubulaire 605 comporte une section oblongue sensiblement identique à celle du coude 203, celui-ci comporte en outre des trous de sortie d'air 606 répartis sur sa périphérie, permettant de refroidir l'extrémité du dispositif de mesure, le second élément tubulaire 605 étant relié au premier élément tubulaire 205 par un embout 607. Ce dernier a pour fonction de fixer l'angle d'incidence 103 du premier élément tubulaire 205, cela se faisant par l'intermédiaire de l'empreinte usinée 608. Celle-ci est usinée par un moyen conventionnel d'usinage, par exemple par fraisage, l'axe de la fraise étant réglé par rapport à l'axe de l'embout 607 de manière à obtenir l'angle d'incidence. Le premier élément tubulaire 205 est ensuite rendu solidaire de l'embout 607, par soudage par exemple.In Figure 6, one can also see the elbow 203 comprising two half-shells 604 for facilitating the path of the measurement son (not shown) and its manufacture. Indeed, the work of shaping, by bending, elbow 203 to oblong section is easier when it is composed of two-half shells; a monobloc oblong tube would be more difficult to work. Furthermore, a half-shell configuration makes it possible to easily insert small measuring wire guiding supports inside the elbow 203. The measuring device 201 also comprises, between the tubular element 205 and the elbow 203, a second tubular element 605, extending longitudinally with respect to the axis of the second straight portion 204. The second tubular element 605 has an oblong section substantially identical to that of the elbow 203, the latter also comprises exit holes air 606 distributed over its periphery, for cooling the end of the measuring device, the second tubular member 605 being connected to the first tubular element 205 by a nozzle 607. The latter has the function of setting the angle of incidence 103 of the first tubular element 205, this being done through the machined imprint 608. It is machined by a conventional machining means, for example by milling, the axis of the The milling cutter is adjusted relative to the axis of the endpiece 607 so as to obtain the angle of incidence. The first tubular element 205 is then secured to the nozzle 607, for example by welding.
En outre, le premier élément tubulaire 205 comporte à son extrémité 206 une ouverture ayant pour fonction de capter les produits de combustion devant être mesurés et des trous d'évents 610 permettant de les évacuer, ces derniers étant régulièrement disposés sur la périphérie du premier élément tubulaire 205 de manière radiale et circulaire.In addition, the first tubular element 205 has at its end 206 an opening having the function of capturing the combustion products to be measured and vent holes 610 for evacuation, the latter being regularly arranged on the periphery of the first element tubular 205 radially and circularly.
Sur la figure 7, on peut voir une représentation de la section oblongue du coude 203 définie par sa plus grande longueur 701, sa plus grande largeur 702 ainsi que deux demi-cercles 703 situés à ses extrémités et ayant un diamètre égal sa plus grande largeur 702. Par rapport à un dispositif de mesure à section circulaire de l'art antérieur, une section oblongue permet d'avoir une surface de contact avec un l'écoulement aérodynamique réduite et, par conséquent, une perturbation du flux généré lors de la combustion également réduite. En outre, lors des essais, la stabilité du dispositif de mesure est améliorée permettant ainsi d'accroître la précision des mesures de pression et températures relevées. Dans un mode de réalisation de l'invention, la plus grande longueur 701 est égale à 12 millimètres et la plus grande largeur 702 est égale à 8 millimètres. Le gain en fréquence, par rapport à une section circulaire, est de l'ordre de 6% suivant l'axe Z et de l'ordre de 54% suivant l'axe Y dans cette configuration. En référence à la théorie des poutres et pour d'autres configurations, le gain peut être déterminé en utilisant la formule suivante : Gain = (fo/fc)*100 = -\/(Io/So)/(Ic/Sc)*100 avec fo la fréquence liée à la section oblongue ; fc la fréquence liée à la section circulaire ; Io le moment quadratique de la section oblongue Ic le moment quadratique de la section circulaire So la surface de la section oblongue ; Sc la surface de la section circulaire. La figure 8 représente un diagramme de Campbell où l'on peut voir les plages de fréquence 801 et 802 associées aux instabilités de combustion liées au système d'injection de carburant ainsi que les deux premières fréquences propres 803 et 804 du dispositif de mesure 201. Ces fréquences propres 803 et 804 sont déterminées en agissant sur la plus grande longueur 701 et la plus grande largeur 702 du coude 203, par itérations successives.In FIG. 7, a representation of the oblong section of the elbow 203 defined by its greatest length 701, its largest width 702 and two half-circles 703 located at its ends and having a diameter equal to its greatest width can be seen 702. Compared with a circular section measurement device of the prior art, an oblong section makes it possible to have a contact surface with a reduced aerodynamic flow and, consequently, a disturbance of the flow generated during combustion. also reduced. In addition, during the tests, the stability of the measuring device is improved thus making it possible to increase the accuracy of the pressure and temperature measurements taken. In one embodiment of the invention, the greatest length 701 is equal to 12 millimeters and the largest width 702 is equal to 8 millimeters. The frequency gain, with respect to a circular section, is of the order of 6% along the Z axis and of the order of 54% along the Y axis in this configuration. With reference to the theory of beams and for other configurations, the gain can be determined using the following formula: Gain = (fo / fc) * 100 = - \ / (Io / So) / (Ic / Sc) * 100 with fo the frequency linked to the oblong section; fc the frequency related to the circular section; Io the quadratic moment of the oblong section Ic the quadratic moment of the circular section So the surface of the oblong section; Sc the surface of the circular section. FIG. 8 represents a Campbell diagram where one can see the frequency ranges 801 and 802 associated with the fuel instillation instabilities related to the fuel injection system as well as the first two eigenfrequencies 803 and 804 of the measuring device 201. These eigenfrequencies 803 and 804 are determined by acting on the greatest length 701 and the largest width 702 of the bend 203, by successive iterations.
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