Brevet FR2584493A1 — publié le 19870109

La présente invention est relative à un appareil pour mesurer la poussée d'un réacteur et à un avion équipé d'un tèl appareil. La poussée d'un réacteur est la force utilisable fournie par celui-ci, cette force a, d'une façon globale, une ligne d'action parallèle à l'axe du réacteur. La dite force générale est composée - du flux de quantité des mouvements du mélange gazeux s'échappant de la ou des tuyères. - du flux de quantité des mouvements de l'air aspiré par le réacteur. - de la force résultant de la différence de pression entre le mélange gazeux à la sortie de la tuyère et celui de l'air de l'ambiance -de la force résultant de la différence en pression entre l'air à l'entrée du réacteur et celui de l'ambiance Dans le cas d'un réacteur à tuyère adaptée, c'est-à-dire à tuyère qui permet la détente complète du mélange gazeux s'en échappant, la troisième composante de la poussée devient nulle. La somme de la première et de la troisième composantes est appelée la poussée brute ( voir FR 2 159 072 et FR 2 198 622 ). Dans la mesure de la poussée brute, on néglige la deuxième et la quatrième composante, autrement dit on s'interesse uniquement à ce qui se passe au niveau de la tuyère. La valeur mesurée de la poussée brute peut,seulement,être significative dans certaines conditions de vol. A l'heure actuelle on ne sait pas mesurer la poussée d'un réacteur à bord. Cependant les motoristes proposent une méthode faisant usage d'un côté des mesures de pressions totales sur l'entrée d'air et la tuyère du réacteur et d'autre part d'un abaque pour pouvoir déduire la poussée du dit réacteur. Le rapport entre la pression totale à la sortie de la tuyère et celle à l'entrée de l'air froid " E.P.R" est affiché sur le panneau pilote. Les lettres E.P.R sont l'abrévation du rapport des pressions de l'appareil " Engine pressure ratio". A la lecture de ce rapport, le pilote, en principe, peut,à l'aide d'un abaque, déterminer la poussée du réacteur à condition de connaître la vitesse de l'avion et son altitude. Cette méthode manque de précision à cause des inconvénients suivants - Pour un réacteur à double flux 1'E.P.R est mesuré sur le flux chaud seulement, l'abaque correspondant est établi pour un donc tionnement normal de l'ensemble de deux flux. En cas de dégradation accidentelle du flux froid, la lecture sur abaque sera érronée. - La détermination de la poussée sur abaque nécessite la lecture d'autres paramètres ( altitude, vitesse) qui évoluent sans cesse et rendent ainsi la détermination de la poussée rapidement caduque. - les risques venant de l'erreur humaine - La relation E.P.R. poussée introduit des hypothèses simplifi catrices au détriment de la précision Pour pallier ces inconvénients, la présente invention propose un appareil pour mesurer la poussée à bord de l'avion. Selon la présente invention, les particularités de chaque réac teur n'interviennent pas dans le calcul de la poussée. De plus les deux flux, pour les réacteurs à double flux sont pris en considération. A cet effet l'appareil selon l'invention se caractérise essen tiellement en ce qu'il comprend: - un premier moyen pour mesurer la pression statique P1 à chaque entrée d'sir et produire un signal la représentant, - un deuxième moyen pour mesurer la pression d'impact Pil dite totale, dans chaque entrée d'air et produire un signal la représentant, - un troisième moyen pour mesurer la pression d'impact Pi8, dite totale, dans chaque tuyère et produire un signal la repré sentant, - un moyen de calcul recevant les signaux représentant P1 et Pil pour chaque entrée d'air, Pi8 pour chaque tuyère et la pression ambiante PO mesurée normalement à bord et :: a) calculer la pression statique P8 de chaque tuyère à l'aide de la pression d'impact correspondante, b) calculer la force (F1) exercée sur chaque entrée d'air, résultant de la différence entre la pression statique P1 sur la dite entrée et la pression ambiante, c) calculer à l'aide de P1 et Pil a force Fil résul- tant du flux de quantité des mouvements de l'air entrant par chaque entrée, d) calculer la force F8 exercée sur chaque tuyère, résultant de la différence de pression entre la pression statique P8 et la pression ambiante P0 e) calculer à l'aide de la pression statique P8 et de la pression d'impact correspondante Pi8 s la force F i8 résultant du flux de quantité des mouvements de mélanges gazeux s'échappant de chaque tuyère. f) calculer la poussée exercée par le réacteur sur l'appareil auquel il est fixé selon la formule générique la poussée (F) = les forces de type F8 + les forces de type Fi8 - les forces de type (fil) - les forces de type (Fil) -un moyen d'affichage pour afficher la poussée et éventuellement d'autres informations liées ou non à celle-ci. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée ci-dessous et illustrée par des dessins dans lesquels 2 - la figure 1 est un schéma qui présente le contour classique de fluide à partir duquel on peut théoriquement calculer la poussée selon la formule conventionnelle simplifiée est le section de la colonne d'air entrant dans le réacteur à la surface d'indice (O). VO est le vitesse d'air à la surface d'indice (o). est la masse volumique de l'air à la surface d'indice (o) La figure 2 est un schéma présentant,selon l'invention, un contour de fluide à partir duquel on peut réellement calculer la poussée selon la formule proposée également par l'invention La figure 3 est un schéma qui montre les moyens à utiliser pour mesurer la poussée sur un réacteur à simple flux. La figure 4 est un schéma qui montre un réacteur à double flux, dans lequel le flux chaud central est complètement entouré par le flux froid. La figure 5 est un schéma qui montre un réacteur à double flux sur lequel il y -a deux entrées d'air aux niveaux 1 et 1F et deux tuyères- aux niveaux 8 et 8F. La figure 6 est un schéma qui présente un réacteur à double flux sur lequel il y a une entrée d'air au niveau 1 et deux tuyères aux niveaux 8 et 8F. La figure 7 est un schéma qui présente un réacteur à double flux sur lequel il y a deux entrées d'air au niveaux 1 et 1F et une seule tuyère. Sur la figure (1) on voit le contour théorique de fluide qui entoure un réacteur en fonctionnement. Appliquant Be théorème de quantités de mouvements du fluide aux surfaces At, Al,so et sl ainsi que la surface contournant les parties internes du réacteur on obteint la formule de la poussée dans laquelle % et % représentent respectivement la masse volu- miuque fluide aux niveaux (8) et (O) s8 et Sg représentent respectivement la surface de section de la colonne de fluide traversant le réacteur aux niveaux (8) et (0). P8 et P0 représentent respectivement la pression statique de fluide aux niveaux (8) et (o) Ne sachant pas calculer les trois intégrales doubles, on adapte par convention la formule pour un réacteur à simple flux. Les phénomènes au niveau de la surface d'indice (0) ne sont pas mesurables à cause de la variation de position et de valeur de s0 en fonction de la vitesse de l'avion et du régisse du réacteur. Pour contourner cette difficulté, la présente invention propose d'appliquer le théorème des quantités de mouvement à un contour ecea. celui de la figure '(2). L'application du théorème de quantités de mouvements à ce contour nous conduit à la formule de la poussée S1 est la surface de section de l'entrée d'air au niveau 1 P1 est la pression statique au niveau 1 V1 est la vitesse de l'air à l'entrée du réacteur Cette dernière formule est applicable à un réacteur à simple flux. Les mesures à effectuer pour déduire la poussée sont réalisables à l'aide de capteurs coopérant avec des sondes placées sur l'entrée d'air et la tuyère du réacteur. De plus aucune autre mesure ne sera effectuée à l'intérieur de celui-ci. Les deux nouveaux termes mesurables selon cette formule, à,savoir C S1V21 et (P1 - Po) S1 font la différence entre la poussée calculée d'aprés cette formule et la poussée brute calculée en se basant seulement sur les phénomènes au niveau de la tuyère ( voir par exemple FR. 2 159 072 et FR 2 189 622 ). En effet la poussée brute, en négligeant les phénomènes au niveau de l'entrée d'air, surestime la poussée dans certaines conditions de vol. La mesure de la poussée brute est seulement significative à des vitesses basses où les termes prenant en compte des phénomènes au niveau de l'entrée d'air sont négligeables. En utilisant les lois de la mécanique de fluide dans la formule (1) on aboutit à l'expression dans laquelle, P il et Pia sont respectivement la pression d'impact, dite totale sur l'entrée d'air au niveau 1 et celle dans la tuyère au niveau 8. Yet y' sont respectivement le rapport de chaleur massique -de l'air à pression constante et celle à volume constant à l'ent rée d'air et le rapport entre la chaleur massique à pression constante à et celle à volume constant du mélange gazeux s'échap pant de la tuyère. En développant en série cette formule (2), on arrive à la formule dans laquelle K1, K2, K3, K4 et K'1,K' 2' 3 4 sont des constantes liées aux quatre premiers termes de chaque série. Pour ce développement limité on a I1 est bien évident qu'un nombre plus grand des termes de chaque série peut être pris en considération dans le calcul suivant la précision recherchée et la performance de l'outil de calcul mis en service. Le premier terme de la formule (3) correspondant à la force qui résulte du flux de quantités des mouvements de mélange gazeux s'échappant de la tuyère. Le deuxième terme de la même formule (3) correspond à la force qui résulte de flux de quantités de mouvements d'air entrant par cette entrée. Le troisième terme de la formule (3) F8 ( P8 P P0) S8 .......(6) correspond à la force, exercée sur la tuyère qui résulte de la détente incomplète du mélange gazeux s'en échappant. Le quatrième terme de la formule (3) F1 = ( P1 - P0) 51 S1 ........ (7) correspond à la force exercée sur l'entrée d'air qui résulte de la différence de pression entre P1 et la pression ambiante Po. La formule (3) devient donc F : F8 + Fi8 - F1 - Fiî (8) La formule (8) est à appliquer directement sur un réacteur à simple flux, dans le ces où le réacteur est à double flux ou plus e' est-à-dire dans le cas où il a plus d'une entrée d'air et/ou plus d'une tuyère, deux termes de type F8 et Fi8 sont à ajouter sur la formule (8) pour chaque tuyère supplémentaire et deux termes de type F1 et Fil sont à ajouter pour chaque entrée d'air supplémentaire, comme se sera détaillé ci-dessous. I1 est à noter que dans des conditions de fonctionnement non sévères du point de vue thermique le rapport t' peut être considéré égal à Dans le cas d'une tuyère adaptée, c'est à dire dans le cas où la détente de fluide dans la tuyère est complète, la pression statique du fluide à la sortie de celle-ci est égale à la pression ambiante et il en résulte que le ou les termes de type F8 sont à supprimer. Sur la figure (3) un réacteur (7) à simple flux est muni de trois capteurs - un capteur (1) pour mesurer la pression d'impact (totale) dans l'entrée d'air, un capteur (2) pour mesurer la pression statique à l'entrée d'air et un capteur (3) pour mesurer la pression tota le dans la tuyère. Chacun de ces trois capteurs produit un signal représentant la pression correspondante. Ces trois signaux sont accueillis par un convertisseur analogique logique (4) qui, à son tour, transmet ces informations à un moyen de calcul (5). Ce dernier envoie un signal représentant la valeur de la poussée, une fois calculée, à un moyen d'affichage (6). I1 est à noter que, le dit moyen de calcul peut recevoir d'autres signaux représentant d'autres valeurs mesurées,ou non,sur l'appareil auquel le dit réacteur est fixé pour calculer, en combinaison,ou non,avec la valeur de la poussée calculée, d'autres valeurs voulues. A titre d'exemple, le dit moyen de calcul peut recevoir des signaux représentant la vitesse de l'avion V, le débit massique de carburant de chaque réacteur pour calculer le rendement global de l'avion qui est défini comme: V est la vitesse de l'avion Csp est la consommation spécifique de l'avion k est une constante et Dans cette dernière formule (B), la consommation horaire est la somme des consommations horaires de chaque réacteur qui est calculable à partir du débit massique de carburant du dit réacteur, la poussée est la somme des poussées de chaque réacteur. La connaissance de ce rendement global au cours d'un vol peut être très intéressante pour les exploitations. Une ou plusieurs sondes (la) sont installées par exemple dans le quadrant supérieur de l'entrée d'air. Celles-ci peuvent être de même type que celles utilisées actuellement, elles sont reliées au capteur (1) qui fournira l'information au moyen de calcul (5) via le convertisseur (4?. Une sonde (3a),par exemple une channe de mesure Pt7 équipant actuellement certains groupes turbo-réacteurs connus sous l'abréviation G.T.R ou une autre channe analogue, coopère avec le capteur (3) qui envoie l'information au moyen de calcul (5) via le convertisseur analogique logique (4). La mesure de la pression statique à l'entrée d'air sera effectuée dans la zone du col de la dite entrée. Les prises de pression peuvent être,par exem,ple,des perçages (2a) effectués sur tout le tour de la section 51 prises en considération pour les calculs. Ces perçages sont reliés au capteur (2) qui fournira l'information au moyen de calcul (5) via le convertisseur analogique logique (4). Ces perçages doivent être effectués dans la zone du col où l'énergie cinétique des molécules de l'air dans le sens de flux ou les tourbillons à l'intérieur du réacteur n'influencent pas la mesure de la pression statique. Ces perçages peuvent être par exemple effectués dans la zone du col où sa section atteint se valeur minimale c'est-à-dire au niveau de la section où le passage du flux de fluide dans la dite entrée est le plus étroit. Le convertisseur analogique (4), le moyen de calcul (5) et le moyen d'affichage (6) sont des matériels connus. Chaque fois que le moyen de calcul reçoit un signal représentant la pression d'impact P i8 d'une tuyère,il fait un test pour vérifier si la tuyère est adaptée ou non, si ce test est positif, il calcule la pression statique P8 dans la dite tuyère, dans le cas inverse la dite pression statique est considérée comme égale à la pression ambiante P0. Le dit test consiste à comparer la valeur du rapport, de la pres sion d'impact dans la dite tuyère sur la pression ambiante, avec une valeur constante donnée, si le dit rapport est supérieur à la dite constante, le moyen de calcul calcule la valeur de la pres sion statique, dans le cas inverse celle-ci étant considérée égale à la pression ambiante, et par conséquent le terme correspondant à la force exercée sur la tuyère qui résulte de la détente incomplète du mélange gazeux s'en échappant est à supprimer. L dite constante est calculable en connaissant le rapport Youy' du mélange gazeux s'échappant de la tuyère et peut être expri mée comme ou Dans le cas d'un réacteur à double flux (figure4) dans lequel, le flux chaud intérieur est complètement enveloppé par le flux froid extérieur, la formule (8) est applicable sans modification. En effet, commue les mesures sont à effectuer à l'entrée d'air au niveau 1 et dans la tuyèere au niveau 8 le cas d'un tel réacteur se réduit à celui d'un réacteur à simple flux. Dans le cas d'un réacteur à double flux ( figure 5) dans lequel il y a deux entrées d'air aux niveaux 1 et 1F et deux tuyères aux niveaux 8 et 8F, deux termes de type F8 et Fi8 et deux termes de type F1 et Fil correspondant respectivement à la tuyère froide au niveau 8F à l'entrée d'air au niveau 1F sont à ajouter à la formule (8), pour calculer la poussée de ce réacteur, la nouvelle formule devient donc F = F8 + F8F + Fi8 + Fi8F - r1 - F1F - Fil - Fi1F - - (9) En effet, la formule (9) est la somme des deux formules telles que (8), chacune correspond à un flux : l'une correspond au flux chaud relatif à l'entrée d'air au niveau (1) et à la tuyère au niveau (8), l'autre correspond au flux froid dont l'entrée d'air est au niveau 1F et la tuyère est au niveau 8F. Un tel réacteur est donc considéré comme deux réacteurs reliés en parallèle. I1 est bien entendu que si l'une des deux tuyères ou si toutes les deux sont adaptées les termes correspondants de la formule (9) seront à supprimer. Dans le cas d'un réacteur à double flux (figure 6), sur lequel il y a une seule entrée d'air au niveau 1 et deux tuyères aux niveaux 8 et 8F, deux termes de type F8 et Fi8 correspondante à la tuyère froide au niveau 8F sont à ajouter à la formule (8) pour calculer la poussée de ce réacteur, la nouvelle formule devient donc F = F8 + FOF + Fi8 +:Fi8F - F1 - Fjfl ....... Dans cette formule, le terme F8 sera à supprimer dans le cas d'une tuyère chaude adaptée et le terme F8F sera à supprimer dans le cas d'une tuyère froide adaptée. Dans le cas d'un réacteur à double flux (figure 7), sur lequel il y a deux entrées d'air au niveaus 1 et IF et une seule tuyère au niveau 8, deux termes de type F1 et F il correspondant à l'entrée d'air au niveau 1F sont à ajouter à la formule (8) pour calculer la poussée de ce réacteur, la nouvelle formule devient donc F = F8 + Fi8 - F1 - Fil - F1F - FilF........................ FiiF (11) Comme pour les réacteurs dont la poussée est calculable par les formules (8), (9) et (10) le terme F8 est à supprimer dans le cas d'une tuyère adaptée. I1 est à noter qu'un réacteur dont la poussée est calculable par la formule (4) n'existe pas actuellement. En résumé, la présente invention est relative à un appareil pour mesurer la poussée d'un réacteur en effectuant des mesures de la pression statique et de la pression d'impact sur sa ou ses entrées d'air et des mesures de la pression d'impact sur sa ou ses tuyères. il est bien évident que la connaissance de l'évolution de la poussée d'un réacteur en fonction de son régime, de sa consommation, de son altitude et d'autres paramètres,comme le permet la présente invention, est d'un trés grand intérêt pour les constructeurs de ces réacteurs, comme pour les exploitants des avions équipés de tels réacteurs. Cette connaissance permet aux constructeurs de perfectionner leurs produits et permet aux exploitant d'optimiser l'usage de leurs avions. I1 va de soi que l'appareil faisant l'objet de cette invention peut être réalisé sous toutes formes connues ou à connaRtre, aménagé de toutes sortes de capteurs, de sondes, de moyens de calculs ou autres sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS R1/ Appareil pour mesurer la poussée d'un réacteur caractérisé en ce qu'il comprend - un premier moyen pour mesurer la pression statique P1 à chaque ehtrée d'air et produire un signal la représentant, - un deuxième moyen pour mesurer la pression d'impact Pil, dite totale dans chaque entrée d'air et produire un signal la présentant, - un troisième moyen pour mesurer la pression d-'impact Pi8, dite totale, dans chaque tuyère et produire un sig nal la représentent, - un moyen de calcul recevant les signaux représentant P1 et Piî pour chaque entrée d'air, P18 pour chaque tuyère et la pression ambiante P0 mesurée normalement à bord et a) calculer la pression statique P8 de chaque tuyère à l'aide de la pression d'impact correspondante, b) calculer la force (F1) exercée sur chaque entrée d'air résultant de la différence entre la pression statique P1 sur la dite entrée et la pression ambiante, c) calculer à l'aide de P1 et Pil la force Fil résultant du flux de quantités de mouvements de l'air ent ré par cette entrée d'air, d) calculer la force F8 exercée sur chaque tuyère résultant de la différence de pression entre la pression statique P8 et la pression ambiante, e) calculer à l'aide de la pression statique Pss et la pres sion d'impact correspondante P. la force Fui8 résul- tant du flux de quantités de mouvements de mélange gazeux s'échappant de chaque tuyère, f) calculer la poussée, exercée par le réacteur sur l'appa reil auquel il est fixé , selon la formule générique La poussée (F) = les forces de type (F8) + les forces de type (Fi8) - les forces de type (F1) - les forces de type (Fil) -un moyen d'affichage pour afficher la poussée et éventuelle ment d'autres informations liées ,ou non , à celle-ci. R2/ Appareil pour mesurer la poussée d'un réacteur selon la revendication 1 caractér?isé en ce qu'il comprend un moyen pour mesurer la pression différentielle P il P1 et pro duire un signal la représentant, dans ce cas là, le deuxième moyen pour mesurer Piî étant supprimé. R3/ Appareil pour mesurer la poussée (F) d'un réacteur selon la revendication 1 et la revendication 2 caractérisé en ce que, pour chaque entrée d'air, le moyen de calcul combine la pres sion statique P1 et la pression d'impact Pil ou la pression différentielle Pil-Pl pour calculer la force F.l dite à dite entrée selon la formule ou selon sa forme développée dans ces deux formules S1 étant la surface de section de la dite entrée, # étant le rapport entre la chaleur massique l'air à pression constante et celle à volume constant, K1, K2, K3, K4... étant des constantes. R4/ Appareil pour mesurer la poussée (F) d'un réacteur selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que, pour chaque tuyère, le moyen de calcul combine la valeur de la pression statique P8,et la pression d'impact P ou la pression différentielle Pi8 - P8 pour calculer la force Fi8 dû à la dite tuyère selon la formule ou selon sa forme développée étant la surface de section de le sortie de la dite tuyère, g étant le rapport entre la chaleur massique à pression cons tonte et celle à volume volume constant du mélange gazeux s'en tantes et celle à volume constant du mélange gazeux s'en échappant, K'1, K'2, K'3 , K'4.... étant des constantes R5/ Appareil pour mesurer la poussée (F) d'un réacteur selon la revendication 4 caractérisé en ce que pour calculer la Fi8 d'une tuyère chaude, le dit moyen de calcul met la valeur de d égale de R6/ Appareil pour mesurer la poussée (F) d'un réacteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que, pour chaque entrée d'air, le moyen de calcul combine la valeur de la pression statique P1 et la pression ambiante PO pour calculer la force F1 exercée sur cette entrée d'air selon la formule F1 ::Sî ( P1 - Po) dans laquelle S1 est la surface de section de l'entrée d'air en questic R7/ Appareil pour mesurer la poussée (F) d'un réacteur selon la revendication R1 et la revendication 4 caractérisé en ce que le moyen de calcul, avant de calculer la pression statique P8 d'une tuyère compare d'abord le rapport Pi8/Po avec une valeur constante donnée et calcule P8 seulement dans le cas où ce rapport est supérieur à cette valeur don née, dans le cas inverse la P8 étant considérée comme égale B Po R8/ Appareil pour mesurer la poussée (F) d'un réacteur selon la revendication 1 caractérisée par des perçages effectués dans la zone du col de l'entrée d'air du réacteur pour servir à mesurer la pression statique P1 à le dite entrée'. R9/ Appareil pour mesurer la poussée (F) d'un réacteur à double flux ( fig.4) selon l'une quelconque des revendications pré cédentes dans lequel le flux intérieur chaud est enveloppé complètement par le flux extérieur froid caractérisé en ce que le moyen de calcul fait usage de la formule suivante pour calculer la poussée F = F8 ±Fi8 -F1 -F il R10/ Appareil pour mesurer la poussée (F) d'un réacteur à double flux (fig.5) selon l'une quelconque des revendications de 1 à 8, sur lequels il y a deux entrées d'air au niveau 1 et 1F et deux tuyères l'une étant chaude au niveau 8 et l'autre étant froide au niveau 8F caractérisé en ce que le moyen de calcul fait usage de la formule suivante pour calculer la poussée F= F8 + F8F + Fi8 + Fi8F - F1 - Fi1 - F1F - Fi1F Roll/ Appareil pour mesurer la poussée (F) d'un réacteur à double flux (figure6) selon l'une quelconques des . revendications de 1 à 8, sur lequel il y a une seule entrée d'air au niveau 1, et deux tuyères l'une étant froide au niveau 8F et l'autre étant chaude au niveau 8 caractérisé en ce que le moyen de calcul fait usage de la formule suivante pour cal culer la poussée F = F8 + F8F + Fi8 + Fi8F - F1 - Fi1 R12/ Appareil pour mesurer la poussée (F) d'un réacteur à double flux ( figure 7) selon l'une des quelconques revendications de 1 à 8 sur lequel il y a deux entrées d'air au niveau 1 et 1F, et une seule tuyère au niveau 8 caractérisé en ce que le moyen de calcul fait usage de la formule suivante pour cal culer le poussée F = F8 + Fi8 - F1 - FiF - Fi1 - Fi1F R13/ Avion à un seul ou à plusieurs réacteurs caractérisé en ce qu'il est équipé d'au moins un appareil selon les revendica tions de 1 à 12 prises séparément.