FR2995996A1 - Dispositif de mesure pour chambre de combustion montee sur banc d'essais - 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.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure (201) destiné à mesurer des paramètres d'une chambre de combustion (107) de moteur à turbine à gaz montée sur un banc d'essai comportant un tube comprenant deux portions (202, 204) reliées par un coude (203), la deuxième portion (204) comportant un premier élément tubulaire (205) avec une ouverture à son extrémité (206) dans lequel sont disposés des moyens de mesure de pression et/ou température caractérisé en ce que le coude (203) présente une section oblongue.
  2. 2. Dispositif de mesure (201) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première portion (202) ou la deuxième portion (204) est rectiligne.
  3. 3. Dispositif de mesure (201) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première portion (202) et la deuxième portion (204) sont rectilignes.
  4. 4. Dispositif de mesure (201) selon la revendication 2 caractérisé en ce que le coude (203) a son grand axe (704) dans le plan défini par les axes des deux portions rectilignes (502, 504).
  5. 5. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un second élément tubulaire (605) intercalé entre le premier élément tubulaire (205) et le coude (203) présentant une section oblongue.
  6. 6. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un coude (203) ayant une section oblongue présentant un rapport entre sa plus grande longueur (701) et sa plus grande largeur (702) compris entre 1,25 et 2,25.
  7. 7. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que l'axe de la première portion rectiligne (202) et l'axe de la deuxième portion rectiligne (204) forment un angle droit.
  8. 8. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le coude (203) est formé de deux demi-coquilles (604) assemblées entre elles.
  9. 9. Méthode de conception d'un dispositif de mesure (201) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce 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. 25
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