Brevet FR2560292A1 — publié le 19850830

La présente invention concerne une prise d'air capable de fonctionner à grande incidence, notamment à des incidences supérieures à 200 et destinée à l'alimentation en air des groupes moteurs tels que les statoréacteurs, les turboréacteurs simple flux ou double flux équipant notamment les avions supersoniques, les avions subsoniques et les hélicoptères. Le fonctionnement à grande incidence de telles entrées d'air découle d'une configuration particulière des aérodynes en évolution rapide, tels que des avions de combat à grande incidence ou dérapage, ou encore, en condition de décollage, d'atterrissage ou au point fixe par vent latéral. Des configurations similaires de vent latéral se retrouvent naturellement pour les véhicules terrestres et/ou marins, propulsés par des turboréacteurs ou des hélices carénées. L'augmentation importante des performances des avions militaires supersoniques récents permise par les gains obtenus sur la motorisation, les commandes de vol et l'aérodynamique à grande incidence, conduit à les faire voler normalement à des incidences supérieures à 350 et à des vitesses aérodynamiques pratiquement nulles ou relativement faibles, pouvant aller jusqu'au domaine transsonique. Ces avions sont munis de prises d'air optimisées pour des vols supersoniques à incidence voisine de zéro, c'est à dire que leur bord d'attaque est mince. A grande incidence, un décollement important du flux d'air aspiré prend naissance au niveau de la surface interne du bord d'attaque d'intrados et des tourbillons sont ainsi créés dès l'entrée du conduit, ou manche à air, amenant l'air capté jusqu'au compresseur. Tout au long du conduit reliant la prise d'air au compresseur une certaine homogénélsation de l'écoulement s'effectue mais celle-ci ne peut pas être parfaite au niveau du plan d'entrée compresseur situé relativement à faible distance, généralement à quelques diamètres du plan d'entrée et il en résulte des conditions d'alimentation en air du moteur qui perturbent son fonctionnement. Dans les avions civils subsoniques, la très faible longueur des manches à air des nacelles moteurs ne permet pas une homogénéisation correcte de l'écoulement aspiré au point fixe ou par vent latéral. La compatibilité entre l'écoulement fourni par les manches à air et l'écoulement acceptable par un compresseur de turboréacteur ou par une hélice présente un certain nombre de difficultés en raison des conditions d'emploi suivantes - utilisation de compresseurs ou d'hélices dont les caractéristiques aéro dynamiques sont les plus voisines possibles des conditions de décro chage des pales, - utilisation de manches d'amenée d'air relativement très courtes et dont l'évolution des sections de passage empêchent la bonne homogénélsation de l'écoulement à des vitesses élevées, - conditions de vol à grande incidence et dérapage important approchant, notamment pour les aérodynes militaires, les conditions limites d'enga gement en vrille. En présence de décollement du flux d'air aspiré, les manches à air sont le siège de phénomènes instationnaires qui se caractérisent notamment d'une part, - par des fluctuations d'une frontière nette entre zones de haute pres sion et zones de basse pression dont la fréquence des fluctuations peut être accrochée sur des temps de propagation de perturbations basés sur les grandeurs caractéristiques telles que longueur et diamètre du tuyau représenté par la manche à air, et d'autre part, - par des fluctuations turbulentes de la vitesse d'écoulement en grandeur et direction, dont les fréquences dépendent directement de la taille des structures de la turbulence. En pratique, en présence d'un décollement au bord d'attaque, l'écoulement interne se divise en deux zones : une zone saine très énergétique et une zone perturbée, moins énergétique. Dans le plan d'entrée du compresseur, la carte stationnaire des pressions d'arrêt peut être caractérisée par des coefficients de distorsion Ks caractéristiques des hétérogénéités de pression et définis à partir de mesures effectuées à l'aide de prises de pression d'arrêt réparties selon une implantation déterminée. I1 est bien connu d'utiliser, à cet effet, un peigne tournant comportant, par exemple, six bras équipés chacun de prises de pression réparties en équi-surface et comportant des capteurs à temps de réponse court. Des sondes de mesure de pression statique peuvent être disposées entre les bras ou à la paroi. Ce dispositif permet de relever la carte stationnaire ainsi que la carte instationnaire de pression d'arrêt dans le plan compresseur pour diverses conditions d'essai de la prise d'air. I1 permet d'accéder à l'efficacité de la prise d'air en faisant la moyenne des rapports de pression d'arrêt locales à la pression génératrice Dans cette relation n est le nombre de sondes et j identifie une sonde. La carte instationnaire est caractérisée par des coefficient de distorsion K définis de façon analogue aux K5 mentionnés ci-dessus. On sait que le fonctionnement des moteurs est affecté par les fortes distorsions instantanées. On a donc cherché à réduire ces distorsions, notamment en apportant au moment opportun, une énergie additionnelle dans la zone perturbée de l'écoulement, par admission d'air supplémentaire ou en modifiant le profil interne de la manche à air, ces dispositions tendant à améliorer la distribution de pression dans le plan compresseur. De nombreux moyens ont été imaginés parmi lesquels on peut citer - les prises d'air comportant des volets articulés au voisinage du bord d'attaque. Ces volets peuvent prendre une position dans laquelle ils délimitent un convergent augmentant la section d'entrée de la prise d'air. Le brevet français 1 589 899 du demandeur décrit une telle dispo sition - les prises d'air comportant des noyaux internes déplaçables ou des vo lets orientables. La demande de brevet F. 2 025 763 décrit un épaulement interne profilé, disposé sur la paroi de la manche à air en retrait par rapport au bord d'attaque. L'épaulement est fixe, il réduit l'ouverture libre de la prise d'air. La modification locale de la section d'entrée modifie l'écoulement en fonction de sa vitesse. Dans la demande de brevet F. 2 252 489, l'entrée d'air comporte plusieurs clapets réglables entre une position fermée et une position ouverte, la pression au-dessus de l'un des clapets servant de paramètre de réglage compte tenu de la pression statique de l'écoulement interne, de la pression externe et de l'angle d'incidence. L'un au moins des clapets est constitué par un volet articulé sur-la paroi et qui réduit la section d'entrée d'air et-dégage des fentes d'évacuation d'une partie de la couche limite et de l'air aspiré. Le déclenchement automatique de l'ouverture des volets s'effectue au moyen d'un système de réglage comportant un calculateur électronique numérique qui élabore des ordres de commande à partir de plusieurs paramètres tels que des rapports de pression dans l'entrée d'air, le nombre de Mach et un rapport de pression de consigne. Dans un autre système, c'est la position des ondes de choc internes qui constitue le paramètre essentiel. On peut citer, enfin, les générateurs de tourbillons constitués de petits volets fixes implantés sur les parois internes de la manche à air et dont le rôle est de créer, à des endroits déterminés-, des tourbillons évitant ou réduisant les décollements. Ces dispositions conduisent à des agencements mécaniques qui, d'une manière générale, ne permettent pas de modifier suffisamment rapidement l'écoulement dans la manche à air pour obtenir une homogénéisation correcte et un fonctionnement optimal des installations propulsives, notamment lorsque l'entrée d'air est à très grande incidence. L'invention a pour but de remédier aux difficultés de l'état de la technique. Elle a pour objet une prise d'air réglable dans laquelle des paramètres relatifs à l'écoulement de l'air aspiré, tels que la pression, la vitesse de l'écoulement, la vitesse relative, l'incidence, le dérapage, etc.... sont utilisés pour prévoir une perturbation amenant des variations de pression dans le plan compresseur et pour provoquer une action correctrice avant que l'effet de la perturbation de pression apparaisse dans le plan compresseur. La prise d'air selon l'invention comprend donc des moyens de mesure capables de détecter dans le flux d'air aspiré l'apparition d'une perturbation provoquée par un décollement au niveau de la surface interne du bord d'attaque, l'écoulement présentant, alors, une zone saine et une zone perturbée, celle-ci amenant une distorsion de pression dans le plan compresseur, et des moyens d'action pour modifier l'écoulement et réduire la distorsion et elle est caractérisée en ce que les moyens d'action comportent, au moins, un obstacle mobile agencé pour créer, dès l'apparition du décollement, une perturbation locale de la zone saine de l'écoulement de telle sorte que cette perturbation se propage dans l'écoulement, amène une diminution de la pression maximale et, par conséquent, une limitation de la distorsion dans le plan compresseur. Dans une forme préférentielle de réalisation de l'invention, les moyens de modifier l'écoulement comportent des moyens de commander l'obstacle mobile pour régler son action en intensité et en fréquence en fonction du décollement. L'invention prévoit de doter l'obstacle mobile d'une position neutre dans laquelle il est sensiblement sans influence sur l'écoulement, cette position neutre correspondant au fonctionnement normal de la prise d'air avec un écoulement non décollé. Selon l'invention, l'obstacle mobile peut être constitué par un élément mécanique tel qu'un volet, une palette ou un spoiler, ou encore, il peut être formé par un jet de gaz comprimé tel que de l'azote ou de l'air injecté dans la manche, par exemple, par au moins un conduit débouchant normalement à la paroi interne. Les moyens de mesure capables de détecter l'apparition d'un décollement peuvent comporter au moins un capteur de mesure statique ou un capteur de mesure dynamique. Ils peuvent comporter au moins une sonde directionnelle détectant localement une modification de l'orientation du flux d'air aspiré. Dans un mode de réalisation de l'invention, un capteur de pression installé dans l'entrée d'air au voisinage du plan d'entrée, fournit un signal de pression stationnaire à l'entrée d'un calculateur qui re çoit, en outre, des paramètres tels que la vitesse de l'écoulement, la vitesse relative, l'incidence, le dérapage. Le calculateur compare la valeur de la pression à des valeurs de consigne tenant compte des données avion et élabore des ordres de commande de l'obstacle. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le capteur de pression est un capteur de pression instationnaire. Dans ce cas, le calculateur élabore des ordres de commande à partir de la pression instationnaire, compte tenu des valeurs de consigne et en fonction éventuellement de données avion. Dans ce qui suit, l'invention est exposée plus en détail à l'aide de dessins représentant seulement un mode d'exécution. - La figure 1 est une coupe schématique d'une prise d'air de turboréacteur d'avion supersonique, représentée en incidence - la figure 2 est une vue d'une prise d'air conforme à l'invention, équipée d'un obstacle - la figure 3 est une coupe schématique partielle, à plus grande échelle, de la paroi de la prise d'air comportant un volet mobile - la figure 4 est une coupe schématique partielle de la paroi de la prise d'air comportant une palette mobile conforme à l'invention - les figures 5 et 6 sont des variantes de réalisation de la palette de la figure 3 - la figure 7 est une coupe schématique partielle montrant un spoiler monté sur la paroi de la prise d'air - la figure 8 représente shcématiquement un mode de réalisation de la palette à l'aide d'une structure étoilée - la figure 9 est un schéma du système de prise d'air conforme à l'invention -la figure 10 est une variante - les figures 11 et 12 sont les cartes de pression obtenues dans le plan compresseur. Dans la figure 1, la prise d'air de turboréacteur 1 comprend une manche à air 2 délimitée par un plan d'entrée 3 sensiblement normal à l'axe longitudinal 4 du conduit et par le plan compresseur 5 situé à proximité immédiate de la première roue du compresseur. Le bord d'attaque 6 de l'entrée de la prise d'air est conformé pour le vol rapide et présente une arête à faible rayon de courbure 7. La figure représente la prise d'air en incidence à un angle N 300. Dans cette configuration, un décollement prend naissance au niveau de la surface interne du bord d'attaque et des tourbillons, tels que représentés en 8, se développent et atteignent le plan compresseur 5. L'écoulement de l'air aspiré par la prise se divise en deux zones, une zone saine 9 et une zone perturbée 10. Dans le plan compresseur 5, la pression d'ar rêt est élevée dans la zone saine A et plus faible dans la zone perturbée B. La prise d'air comporte, fig. 2, des capteurs de pression 11 113 et, conformément à l'invention, au moins un obstacle mobile 12 disposé dans la zone saine 9 de l'écoulement. Dans la figure, l'obstacle mobile est un volet profilé capable de se déplacer entre deux positions extrèmes, la position 12a pour laquelle le volet assure la continuité du profil interne de la manche à air et une position 12b dans laquelle le volet, placé sensiblement transversalement à l'écoulement, crée une perturbation locale 13 de la zone saine de l'écoulement. Cette perturbation se propage dans la manche à air et amène dans le plan compresseur une dégradation de la partie énergétique A dans laquelle les pressions sont normalement très élevées.La diminution de la pression maximale rétablit une carte de pression plus homogène dans le plan compresseur de de telle sorte que le fonctionnement du compresseur s'en trouve sensiblement amélioré. Selon la figure 3, le volet mobile 12 est encastré et articulé sur la paroi 2 de la prise d'air par l'intermédiaire d'un axe 14 monté dans des paliers solidaires de la structure. Le volet 12 est muni d'un levier de commande 15 relié à l'organe mobile d'un vérin 16 par l'intermédiaire d'une tige réglable 17. Le vérin 16 peut être à commande hydraulique ou pneumatique ou être constitué par un solénolde à noyau plongeur. Lorsque le vérin est commandé, le volet 13 quitte la position représentée dans laquelle il assure la continuité du profil de la surface interne de la manche à air et se déplace jusqu'à une position 13b, réglable, pour laquelle il joue le rôle d'un obstacle interposé dans l'écoulement. Dans la figure 4, l'obstacle est constitué par une palette mobile 17 montée sur un axe 18 traversant la paroi 2 et logé dans un manchon 19. L'extrémité de l'axe 18 est accouplée à un moteur électrique 20 solidaire de la paroi. Les moyens de commande du moteur, non représentés, permettent de placer la palette dans le sens de l'écoulement, ou perpendiculairement à celui-ci. Ils permettent aussi de mettre la palette en rotation à une vitesse choisie. Dans la figure 5, la palette 17 est oscillante entre deux positions extrèmes 17a et 17b. L'axe support 18 est muni d'une bielle 21 reliée à l'organe mobile d'un vérin 16 par une tige de commande 22. Selon la figure 6, la palette 17 est encastrée par son bord d'attaque 23 sur l'axe 18. L'obstacle peut etre constitué par un spoiler 25, fig. 7, coulissant dans un manchon implanté dans la paroi 2 de la manche à air. La tige coulissante est entourée par un ressort 24 maintenant le spoiler dans une position rentrée où sa face d'extrémité 251 est sensiblement au niveau de la paroi interne de la manche à air. Sur l'arbre d'un moteur électrique 20 est monté un excentrique 26 qui assure, lorsque le moteur tourne, l'enfoncement cyclique du spoiler dans la manche à air. La figure 8 montre une autre forme de réalisation dans laquelle l'obstacle mobile est constitué par les branches d'une structure étoilée 27 montée sur l'arbre d'un moteur électrique 20. L'extrémité des branches traverse une fente 28 ménagée dans la paroi 2 et émerge dans la manche à air. Dans ces figures on a représenté un seul obstacle mobile commandé par un vérin ou un moteur, mais dans la pratique, lorsque plusieurs obstacles sont nécessaires pour intéresser une partie plus importante de la zone saine de l'écoulement, l'invention prévoit, selon l'application, d'accoupler mécaniquement les éléments nécessaires et de les commander par un vérin ou un moteur unique ou, au contraire, de commander individuellement les différents obstacles. Conformément à la figure 9, les capteurs de pression stationnai re 111 - lln sont reliés à un bloc de détection de pression 28 qui four n nit, à l'entrée d'un calculateur 29, un signal lorsque la pression mesurée par les capteurs est significative d'un décollement de l'écoulement. Le calculateur reçoit sur ses autres entrées les valeurs Mo, nombre de Mach à l'amont, o( angle d'incidence de la prise d'air, ss angle de dérapage, g coefficient de débit et des valeurs de consigne C1 - C n relatives aux signaux d'entrées. I1 compare respectivement les valeurs et l'évolution dans le temps des signaux d'entrée compte tenu des valeurs de consigne et élabore un ordre de commande envoyé par la ligne 30 à une unité de commande 31 dont la sortie 32 est reliée au moteur 20 de commande de la rotation de la palette 17. En variante, figure 10, les capteurs 11 sont des capteurs de mesure de la pression instantanée. Le calculateur reçoit le signal de sortie du bloc détecteur de pression 28 et Mo. Le calculateur élabore des ordres de commande adressés à l'unité de commande 31 dont la sortie 32 est reliée au moteur 20 de commande de la rotation de la palette 17. Pour montrer le progrès technique apporté par l'invention, le demandeur a procédé à des essais comparatifs en soufflerie entre deux prises d'air identiques, ltune des prises d'air étant équipée d'une palette tournante conforme à l'invention. La prise d'air est un tube de section circulaire dont l'entrée est biseautée à 300 ce qui permet de simuler au point fixe une incidence de 350 environ. Le diamètre interne est D = 60 mm, la manche à air est de longueur égale à 6 D. La palette est constituée d'une plaque rectangulaire de 10 x 7,5 mm montée sur un axe entraîné en rotation par le moteur. L'axe de la palette est situé à une distance D/2 du bord d'attaque de la prise d'air et l'axe est situé dans le plan de symétrie verticale de la prise d'air. Les pressions d'arrêt dans le plan compresseur sont mesurées par 13 capteurs répartis sur un peigne tournant, les mesures étant prises tous les cinq degrés. Les essais comparatifs ont été conduits au point fixe. Les cartes de pression stationnaire dans le plan compresseur ont été relevées dans les cas suivants : prise d'air sans palette, prise d'air avec palette calée sensiblement parallèlement à l'écoulement d'air, prise d'air avec palette calée sensiblement perpendiculairement à l'écoulement, prise d'air avec palette entraînée en rotation à la vitesse de 50 tours par seconde. Le tableau I indique les réductions des différents coefficients de distorsion lorsque la prise d'air est équipée d'une palette calée parallèlement à l'écoulement pour un Mach interne dans le plan compresseur M2 = 0,3 et 0,5; TABLEAU I M2 0M,230 KD IDC max IDR max ~ KO ~ DC 6 O J 0,30 % 4,6 % 16,7 % 7,4 % 14,5 % 12,4 % 0,50 29,5 % 18 % 1l 5 % 33,2 % 17,2 % Dans ce tableau, et dans la suite, KD, IDC max, IDR max, KO, DC 60 sont les coefficients de distorsion utilisés de façon classique dans les études de distorsion. Les coefficients de distorsion sont diminués dans tous les cas. Le tableau II indique les réduction des coefficients de distorsion lorsque la palette est calée perpendiculairement à l'écoulement. La -carte de pression relevée montre que, dans cette configuration, la zone de haute pression est très réduite, ce qui entraîne un gain important sur les coefficients de distorsion comme indiqué ci-après TABLEAU II M2 KD IDC max IDR max KO I DC 60 0,30 42,5 % 33 % 21,4 X 36 % 20,2 % Le tableau III indique les réductions des coefficients de distorsion lorsque la palette est entraînée en rotation à la vitesse de 50 tours par seconde pour une vitesse d'écoulement M2 = 0,3. TABLEAU III lvi I KD ~ IDC max IDR max KO DC 60 50 t/s 1 31,2 % i 26,5 % 1 14,6 % 1 24,8 % 1 19,5 % La comparaison des résultats des tableaux III et II montre une diminution de l'effet bénéfique constaté en régime stationnaire. Enfin, le tableau IV montre la variations des réductions des coefficients de distorsion en fonction des différentes valeurs du Mach interne pour une palette de 10 x 7,5 mm entraînée en rotation à 50 tours par seconde. TABLEAU IV M2 KD IDC max IDfl max KO DC 60 0,30 1 31,2 % j 26,5 % | 14,6 % j 24,8 % | 19,5 % 0,50 1 48,3 % 1 42,4 % 1 16,6 % 1 47 % | 40,2 % Ce tableau montre que la diminution des coefficients de distorsion est plus importante pour les valeurs les plus élevées du Mach interne M2. Enfin, les essais confirment que l'effet de la palette est d'autant plus important que celle-ci est située dans la partie de la zone saine la plus éloignée du compresseur. Les figures 11 et 12 permettent de comparer les cartes de pressions d'arrêt stationnaires obtenues dans le plan compresseur, respectivement pour la prise d'air sans palette et pour la prise d'air avec palette tournant à 50 tours par seconde, pour M2 = 0,3 et M2 = 0,5. L'invention présente l'avantage de procurer des gains importants sur les coefficients de distorsion sans dégradation sévère de l'efficacité globale de la prise d'air. REVENDICATIONS 1 - Prise d'air réglable pour installations propulsives comprend nant des moyens de mesure capables de détecter, dans le flux d'air aspiré, l'apparition d'une perturbation provoquée par un décollement au niveau de la surface interne du bord d'attaque, l'écoulement présentant alors une zone saine et une zone perturbée, celle-ci amenant une distorsion de pression dans le plan compresseur, et des moyens d'action pour modifier l'écoulement et réduire la distorsion, caractérisée en ce que les moyens d'action comportent au moins un obstacle mobile agencé pour créer, dès l'apparition du décollement, une perturbation locale de la zone saine de l'écoulement. 2 - Prise d'air selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de modifier l'écoulement comportent, en outre, des moyens de commander l'obstacle mobile pour régler son action en intensité et en fréquence en fonction du décollement. 3 - Prise d'air selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que l'obstacle mobile comporte une position neutre dans laquelle il est sensiblement sans influence sur l'écoulement. 4 - Prise d'air selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'obstacle est constitué par un volet profilé articulé sur la paroi interne de la manche à air. 5 - Prise d'air selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'obstacle est constitué par une palette solidaire d'un axe traversant la paroi. 6 - Prise d'air selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'obstacle est constitué par un spoiler. 7 - Prise d'air selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'obstacle est formé par un jet de gaz comprimé injecté dans la manche par au moins un conduit débouchant normalement à la paroi. 8 - Prise d'air selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les moyens de régler l'action de l'obstacle en intensité et en fréquence comportent un calculateur élaborant des ordres de commande à partir de mesures de pression ou de direction effectuées par au moins un capteur installé dans l'entrée d'air au voisinage du plan d'entrée. 9 - Prise d'air selon la revendication 8, caractérisée en ce que les ordres de commande sont élaborés à partir de mesures stationnaires et de données caractéristiques de l'avion. 10 - Prise d'air selon la revendication 7, caractérisée en ce que les ordres de commande sont élaborés à partir de mesures instationnaires et de données caractéristiques de l'avion. 11 - Prise d'air selon la revendication 4, caractérisée en ce que le volet constitue, dans la position neutre, une partie au moins de la paroi interne de la manche à air et en ce que les moyens de régler son action comportent un vérin actionné à partir des ordres de commande du calculateur. 12 - Prise d'air selon la revendication 5, caractérisée en ce que la palette est tournante, sa rotation étant commandée par un moteur électrique à vitesse variable. 13 - Prise d'air selon la revendication 5, caractérisée en ce que la palette est oscillante, son mouvement d'oscillation étant commandé par un vérin actionné à partir des ordres de commande du calculateur. 14 - Prise d'air selon la revendication 6, caractérisée en ce que le spoiler est entraîné par un excentrique monté sur l'arbre d'un moteur actionné à partir des ordres de commande du calculateur. 15 - Prise d'air selon la revendication 7, caractérisée en ce que le conduit de gaz comprimé débouchant dans la manche à air est obsturé par une électro-vanne actionnée à partir des ordres de commande du calculateur. 16 - Véhicule comportant une installation propulsive, caractérisé en ce qu'il comporte une entrée d'air conformément à l'une quelconque des revendications 1 à 15.