Brevet FR2987124A1 — publié le 20130823

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des turbomachines, et plus précisément les bancs d'essai de turbomachines avec une application spécifique pour les bancs d'essai de turboréacteurs d'avions à double flux. ETAT DE L'ART Les turbomachines équipant bon nombre d'avions doivent répondre à des exigences strictes dans différentes conditions d'utilisations, pour des raisons évidentes de sécurité. Toutefois, certains évènements entrainent des conditions de vol ayant des effets inconnus sur les turbomachines, ce qui implique une immobilisation préventive des avions et est extrêmement contraignant. Les cendres volcaniques font partie des éléments dont l'effet sur une turbomachine en fonctionnement est inconnu ; le comportement d'un avion qui traverserait un nuage de cendres est par conséquent inconnu. Les différentes tentatives pour étudier l'impact des cendres volcaniques sur une turbomachine ont soulevé plusieurs problèmes, auxquels il n'a pas été proposé de solutions à ce jour. En premier lieu, il est particulièrement délicat de s'approvisionner en cendres volcaniques similaires à celles qui sont susceptibles d'être présentes dans un nuage de cendres résultant d'une éruption volcanique d'autant plus que, afin de simuler la traversée d'un tel nuage de cendres, des quantités très importantes de cendres doivent être délivrées à la turbomachine, rendant les essais impossibles à réaliser. Enfin, la cendre volcanique présente des propriétés spécifiques en termes de densité et de propriétés physiques, qui impliquent qu'il est extrêmement difficile de délivrer une quantité donnée de manière répétitive pour la réalisation d'essais. PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention vise à répondre à cette problématique, et propose ainsi un système d'injection de cendres volcaniques pour banc d'essai de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend - un conteneur pour le stockage de cendres volcaniques, - un dispositif mécanique à doseur adapté pour prélever dans le conteneur à une fréquence donnée une quantité contrôlée de cendres volcaniques, - des conduits par lesquels les cendres volcaniques prélevées par le doseur sont injectées dans la chambre de combustion d'une turbomachine qui serait disposée sur un banc d'essai. En variante, le dispositif mécanique à doseur comprend un élément mobile muni d'au moins une chambre de dosage et une électronique de contrôle qui commande le déplacement de l'élément mobile pour remplir la ou les chambres de dosage et les vider dans les conduits d'injection selon un cycle donné. Ledit élément mobile est alors typiquement un élément mobile rotatif, comprenant au moins une chambre de dosage radiale, ledit élément mobile étant adapté pour effectuer des rotations successives de 180° de manière à ce que ladite chambre de dosage radiale soit mise de manière successive en communication avec le conteneur et avec les conduits. En variante, ledit doseur est associé à un vibreur agissant sur l'élément mobile de manière à favoriser le remplissage de la chambre de dosage, et le déversage de son contenu dans les conduits. Selon une autre variante, lesdits conteneurs et doseurs sont disposés 30 dans une enceinte pressurisée de manière à créer une différence de pression entre ladite enceinte pressurisée et la chambre de combustion de la turbomachine. En variante, lesdits conduits d'injection définissent plusieurs points pour l'injection de cendres volcaniques dans la chambre de combustion d'une turbomachine, au moins un de ces points d'injection étant adapté pour injecter les cendres volcaniques dans le sens d'écoulement de l'air dans une telle chambre de combustion, et au moins un de ces points d'injection étant adapté pour injecter les cendres volcaniques dans le sens contraire à l'écoulement de l'air dans la chambre de combustion. L'invention concerne également un ensemble formant un banc d'essai de turbomachine, comprenant une turbomachine disposée dans une salle d'essai, et un système tel que défini précédemment dont le conteneur et le dispositif mécanique à doseur sont disposées dans une salle de liaison, au-dessus de ladite salle d'essai de manière à être sensiblement à la verticale de la turbomachine, les conduits reliant le doseur de la salle de liaison à la chambre de combustion de la turbomachine dans la salle d'essai. L'invention concerne en outre un procédé de test d'une turbomachine montée sur un banc d'essai, caractérisé en ce que, pour évaluer l'effet de cendres volcaniques sur le fonctionnement de la turbomachine, on injecte directement dans la chambre de combustion de ladite turbomachine testée une quantité contrôlée de cendres volcaniques. En variante, quantité de cendres volcaniques injectée directement dans la chambre de combustion de la turbomachine est comprise entre 2 et 4 milligrammes par mètre cube. Selon une autre variante, la cendre volcanique est injectée dans la chambre de combustion via la création d'une différence de pression entre la chambre de combustion et des doseurs de cendre volcanique. L'invention permet ainsi de mesurer l'impact de quantités données de cendres volcaniques sur une turbomachine, et plus précisément leur impact sur la chambre de combustion. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un système selon l'invention, - les figures 2 et 3 présentent une vue détaillée d'un conteneur et d'un doseur selon un aspect de l'invention, - la figure 4 présente un exemple de points d'injection de cendres dans la chambre de combustion, - la figure 5 présente schématiquement un procédé selon un aspect de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments communs sont repérés par des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 représente schématiquement un système selon l'invention, et les figures 2 et 3 présentent des vues détaillées d'éléments de ce système. Le système tel que présenté comprend une turbomachine 1, des moyens de stockage 2 et de dosage 3, ainsi que des conduits 4. Les moyens de stockage et de dosage 2 et 3 de cendres volcaniques sont disposés à proximité du banc d'essai, avantageusement à proximité de la turbomachine 1 afin de minimiser la distance entre la turbomachine 1 et ces moyens de stockage et de dosage 2 et 3. Les conduits 4 relient les dispositifs mécaniques à doseur 3 à la 30 turbomachine 1, ces conduits étant adaptés pour acheminer des cendres volcaniques depuis les dispositifs mécaniques à doseur 3 vers la turbomachine 1. La turbomachine 1 est par exemple un turboréacteur d'avion à double flux bien connu de l'homme de l'art, comprenant de manière conventionnelle une soufflante (communément appelée « fan »), un compresseur, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. Dans le cas de turbomachines à double flux, la soufflante a des dimensions importantes par rapport aux autres composants, et le flux d'air traversant notamment la chambre de combustion et les turbines haute et basse pression représente une faible portion du flux d'air total traversant la soufflante. Une partie du flux d'air traversant la soufflante est donc directement expulsé, tandis qu'une autre partie traverse le compresseur, la chambre de combustion, et les turbines haute et basse pression. Les moyens de stockage 2 comprennent typiquement un ou plusieurs conteneurs, par exemple des trémies contenant des cendres volcaniques. Ces moyens de stockage 2 sont associés à des dispositifs mécaniques à doseur 3, comprenant par exemple un boisseau adapté pour prélever une quantité définie de cendres volcaniques dans le conteneur associé, et de la déverser dans les conduits 4. Les dispositifs mécaniques à doseur 3 comprennent ainsi par exemple un élément mobile 31 muni d'une chambre de dosage 32, alternant entre - une première position dans laquelle ladite chambre de dosage 32 est en communication avec le conteneur de manière ce que son contenu se déverse dans la chambre de dosage 32, et ainsi que la chambre de dosage 32 se remplisse de cendres volcaniques, et - une seconde position dans laquelle la chambre de dosage 32 est en communication avec un des conduits d'injection de manière à ce que son contenu puisse être injecté directement dans la chambre de combustion de la turbomachine 1. Dans un mode de réalisation particulier, l'élément mobile 31 présente une ou plusieurs chambres de dosage 32, disposées sur l'élément mobile de manière à être remplies de cendres volcaniques et mises en communication avec les conduits d'injection successivement au fur et à mesure du mouvement de l'élément mobile 31. Par exemple, dans le mode de réalisation représenté, l'élément mobile 31 est mobile en rotation autour d'un axe longitudinal, et comprend deux chambres de dosage 32 radiales disposées à 180°, de sorte que lorsque l'une de ces chambres de dosage 32 est en communication avec le conteneur 2 de manière à se remplir de cendres volcaniques, l'autre soit en communication avec un conduit d'injection afin que son contenu s'y déverse et soit acheminé vers la chambre de combustion de la turbomachine 1. Le mouvement de l'élément mobile 31 peut être continu ou séquentiel. En référence au mode de réalisation représenté sur la figure 3, l'élément mobile 31 est entrainé en rotation séquentiellement de 180° avec une temporisation entre chacune de ces rotations, de sorte que les deux chambres de dosage 32 alternent entre les deux positions décrites précédemment, c'est-à-dire une première position dans laquelle l'une des chambres de dosage 32 est en communication avec le conteneur 2 de manière à se remplir de cendres volcaniques tandis que l'autre chambre de dosage 32 est en communication avec les conduits 4 afin d'y déverser les cendres volcaniques qu'elle contient, et inversement. Dans ce cas où deux rotations séquentielles de 180° sont effectuées, elles peuvent être effectuées dans le même sens ou en sens inverse, en fonction notamment des caractéristiques des moyens d'entrainement en rotation qui sont utilisés. L'élément de dosage est par exemple relié aux conduits d'injection 4 via un élément conique 37, guidant la cendre volcanique déversée des chambres de dosage 32 vers les conduits d'injection 4 afin d'en faciliter l'écoulement. Le mouvement de l'élément mobile 31 peut être réalisé par tout élément d'entrainement 33 adapté ; par exemple un moteur ou un vérin pneumatique ou hydraulique. Ces éléments d'entrainement 33 associés à un élément de pilotage 34, par exemple un distributeur 34 relié à une source d'alimentation électrique 36 et pilotant l'alimentation des éléments 33 par une source d'alimentation en air sous pression 35 dans le cas où les éléments d'entrainement 33 sont des vérins pneumatiques. Les dispositifs mécaniques à doseur 3 et/ou les moyens de stockage 2 sont avantageusement associés à un vibreur, qui facilite et améliore le remplissage des dispositifs mécaniques à doseur 3 par les cendres volcaniques provenant des moyens de stockage 2, et permettent notamment de les tasser dans la chambre de dosage 32, puis d'en faciliter et d'en améliorer la décharge dans les conduits 4. Les conduits 4 sont par exemple des canalisations, qui débouchent directement dans la chambre de combustion de la turbomachine 1 afin que les cendres volcaniques y soient directement injectées, sans passer par la soufflante de la turbomachine 1. Ainsi, en injectant la cendre volcanique directement dans la chambre de combustion de la turbomachine 1, la quantité de cendres volcaniques nécessaire pour simuler la traversée d'un nuage de cendres par un turboréacteur d'avion en vol est considérablement réduite par rapport aux approches conventionnelles qui visaient à amener la cendre volcanique en amont de la soufflante, ce qui rend la réalisation d'essais possible. Les conduits 4 sont typiquement associés à des sécheurs 42 permettant ainsi de purifier et de maîtriser le taux d'humidité de l'air dans les conduits 4. Ces sécheurs 42 sont associés à une alimentation en air 43, délivrant de l'air à une pression par exemple comprise entre 4 et 20 bar, ou plus précisément entre 6 et 15 bar. La figure 4 présente un mode de réalisation particulier de points d'injection de cendres volcaniques dans la chambre de combustion de la turbomachine 1. Cette figure représente une vue schématique de la section circulaire de la chambre de combustion selon l'axe de la turbomachine 1. On représente sur cette figure deux axes Z et X, qui indiquent respectivement les directions verticales et horizontales de la turbomachine fixée sur le banc d'essai. Dans le cas d'un turboréacteur fixé sous une aile d'avion, la direction verticale correspond à l'axe passant par la fixation du turboréacteur sous l'aile et par l'axe de rotation du turboréacteur. On représente de manière schématique sur cette figure le positionnement d'éléments de fixation 11 de la turbomachine, par exemple sous une aile d'avion. Dans l'exemple représenté, en définissant le centre de l'élément de fixation 11 comme origine et l'axe de la turbomachine 1 comme centre, les points d'injection de cendres volcaniques dans la chambre de combustion sont disposées sensiblement à 60°, 120°, 240° et 300°, établissant ainsi une symétrie à la fois par rapport à l'axe X et par rapport à l'axe Z. Les moyens de stockage 2 et de dosage 3 sont typiquement agencés et dimensionnés en fonction des points d'injection dans la chambre de combustion. Dans l'exemple présenté sur la figure 4, le système comprend alors typiquement quatre moyens de stockage 2 et quatre dispositifs mécaniques à doseur 3 des cendres volcaniques, chacun des points d'injection étant alimenté via un couple composé d'un moyen de stockage et d'un moyen de dosage. Les dispositifs mécaniques à doseur 3 peuvent typiquement être pilotés afin de régler la quantité de cendres volcaniques injectée dans la chambre de combustion. En référence au mode de réalisation représenté sur la figure 3, le réglage peut par exemple se faire via la vitesse de déplacement de l'élément mobile 31 des dispositifs mécaniques à doseur 3, et notamment de la temporisation qui est effectuée pour permettre le remplissage de la chambre de dosage 32. L'injection des cendres volcaniques dans la chambre de combustion peut être réalisée dans le sens du flux d'air traversant la chambre de combustion, ou à contre sens de ce flux d'air. Plusieurs variantes peuvent être envisagées, dans lesquelles tout ou partie des cendres sont injectées dans le sens du flux, et/ou tout ou partie des cendres volcaniques sont injectées à contre sens du flux d'air traversant la chambre de combustion. On peut par exemple injecter des cendres volcaniques par trois points d'entrée dans le sens du flux, et par un quatrième point d'entrée à contre sens du flux d'air, ou inversement. Les moyens de stockage 2 et de dosage 3 sont typiquement disposés dans une enceinte pressurisée, de manière à créer un différentiel de pression entre ces éléments et la chambre de combustion de la turbomachine 1. Ainsi, en maintenant une pression plus élevée que dans la chambre de combustion de la turbomachine 1, les cendres volcaniques qui sont délivrées par les dispositifs mécaniques à doseur 3 sont entrainées vers la chambre de combustion dans les conduits 4 sous l'effet de cette différence de pression. A titre d'exemple, en considérant une chambre de combustion dans laquelle la pression est de l'ordre de 2 bar, une pression comprise entre 2,4 et 3 bar, ou plus précisément comprise entre 2,5 et 2,7 bar appliquée aux dispositifs mécaniques à doseur 3 est suffisante pour provoquer l'acheminement souhaité des cendres volcaniques, ces valeurs étant bien entendues adaptées en fonction de la géométrie et des dimensions des conduits 4. Les moyens de stockage 2 associés aux dispositifs mécaniques à doseur 3 et aux conduits 4 permettent d'obtenir un dosage précis de cendres volcaniques, et ainsi d'en délivrer une quantité sensiblement constante dans la chambre de combustion de la turbomachine 1. La quantité de cendres volcaniques injectée dans la chambre de combustion de la turbomachine 1 est par exemple comprise entre 2 et 30 milligrammes par mètre cube d'air, ou entre 2 et 4 milligrammes par mètre cube d'air. Le dispositif comprend en outre avantageusement des moyens de mesure et d'affichage d'indicateurs d'état des moyens de stockage 2 et de dosage 3, des conduits 4 et de la turbomachine 1. Le dispositif comprend ainsi par exemple des sondes de mesure du taux de remplissage des moyens de stockage 2, de la masse de cendres prélevée par les dispositifs mécaniques à doseur 3, de la combustion dans la chambre de combustion de la turbomachine 1, de la masse volumique de cendres volcaniques injectées par chacun des points d'entrée dans la chambre de combustion, ainsi que des sondes mesurant le taux d'humidité de l'air et la température dans les conduits 4. Un exemple d'utilisation du dispositif présenté comprend une turbomachine disposée dans une salle d'essai, cette turbomachine étant typiquement fixée au sol ou au plafond de cette salle d'essai. Cette salle d'essai est typiquement disposée en-dessous d'une salle de liaison, dans laquelle sont disposés les moyens de stockage 2 et de dosage 3, avantageusement de manière à ce qu'ils soient disposés directement à la verticale de la turbomachine 1, et plus précisément de sa chambre de combustion. Les conduits 4 assurent alors le transfert des cendres volcaniques de la salle de liaison vers la turbomachine disposée dans la salle d'essai, et plus précisément directement dans la chambre de combustion de la turbomachine. La figure 5 représente schématiquement les étapes d'un procédé selon un aspect de l'invention. Lors d'une première étape El, que l'on qualifie d'étape d'allumage, la 5 turbomachine 1 est mise en fonctionnement, afin de simuler des conditions de décollage, d'atterrissage ou d'endurance d'un turboréacteur d'avion. Lors d'une étape E2, qualifiée d'étape d'injection, des cendres 10 volcaniques sont injectées dans la chambre de combustion de la turbomachine en fonctionnement. Cette étape d'injection comprend des étapes intermédiaires de prélèvement et de dosage de cendres volcaniques dans un conteneur, par exemple via des moyens de stockage 2 et de dosage 3 tels que 15 présentés précédemment. L'injection est par exemple réalisée via l'établissement d'un différentiel de pression entre la chambre de combustion de la turbomachine 1 et les moyens de stockage 2 et de dosage 3 des cendres volcaniques comme décrit précédemment. La durée de cette étape varie en fonction des conditions d'utilisation qui 20 sont simulées. A titre d'exemple, pour une turbomachine en condition d'endurance, on injecte des cendres volcaniques de manière à obtenir une concentration entre 2 et 30 milligrammes de cendres volcaniques par mètre cube d'air dans la chambre de combustion, ou plus précisément entre 2 et 4 milligrammes de cendres volcaniques par 25 mètre cube d'air pendant une durée comprise entre 3 et 7 heures, par exemple égale à 5 heures, d'autres valeurs étant bien entendu possibles pour la réalisation d'essais avec le système présenté précédemment. Lors d'une étape E3, qualifiée d'étape d'évaluation, on surveille et 30 évalue l'effet des cendres volcaniques sur la turbomachine 1. Plus précisément, on réalise une surveillance de la combustion se déroulant dans la chambre de combustion de la turbomachine en fonction des cendres volcaniques qui y sont injectées : la quantité de cendres volcaniques injectées et la durée de cette injection. On détermine notamment la quantité de cendres volcaniques et la durée d'injection nécessaire pour que la combustion cesse dans la chambre de 5 combustion de la turbomachine. En fin de cycle, on peut également analyser l'état d'usure des différents composants de la turbomachine 1, et ainsi évaluer l'impact des cendres volcaniques en termes d'usure de la turbomachine 1. 10 Compte tenu de la nature des cendres volcaniques, on réalise avantageusement une pluralité de cycles d'utilisation des moyens de stockage 2 et de dosage 3, et des conduits 4 préalablement à la réalisation de cycles en vue de l'évaluation de l'effet de la cendre volcanique sur la turbomachine 1. Ces cycles préalables visent à ce que 15 les parois des différents éléments des moyens de stockage 2 et de dosage 3, et des conduits 4 dans lesquels la cendre volcanique va circuler soient recouvertes d'une fine couche de cendres volcaniques, afin que les cendres volcaniques qui vont y circuler par la suite n'adhèrent pas sur ces parois. 20 Le dispositif et le procédé présentés permettent ainsi de simuler la traversée d'un nuage de cendres volcaniques par un turboréacteur d'avion via un banc d'essai dans lequel seule une quantité réduite de cendres volcaniques est nécessaire par rapport à un système qui 25 injecterait des cendres volcaniques par la soufflante de la turbomachine. En outre, les variantes présentées permettent d'obtenir un dosage précis de cendres volcaniques, et ce en débit des propriétés très spécifiques de ce matériau. 30 REVENDICATIONS1. Système d'injection de cendres volcaniques pour banc d'essai de turbomachine (1), caractérisé en ce qu'il comprend - un conteneur (2) pour le stockage de cendres volcaniques, - un dispositif mécanique à doseur (3) adapté pour prélever dans le conteneur à une fréquence donnée une quantité contrôlée de cendres volcaniques, - des conduits (4) par lesquels les cendres volcaniques prélevées par le doseur sont injectées dans la chambre de combustion d'une turbomachine (1) qui serait disposée sur un banc d'essai. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le dispositif mécanique à doseur (3) comprend un élément mobile (31) muni d'au moins une chambre de dosage (32) et une électronique de contrôle qui commande le déplacement de l'élément mobile pour remplir la ou les chambres de dosage et les vider dans les conduits d'injection selon un cycle donné. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel ledit élément mobile (31) est un élément mobile rotatif, comprenant au moins une chambre de dosage (32) radiale, ledit élément mobile (31) étant adapté pour effectuer des rotations successives de 180° de manière à ce que ladite chambre de dosage (32) radiale soit mise de manière successive en communication avec le conteneur (2) et avec les conduits (4). 4. Système selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel ledit doseur (3) est associé à un vibreur agissant sur l'élément mobile (31) de manière à favoriser le remplissage de la chambre de dosage (32), et le déversage de son contenu dans les conduits (4). 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel lesdits conteneurs (2) et doseurs (3) sont disposés dans une enceinte pressurisée de manière à créer une différence de pression entre laditeenceinte pressurisée et la chambre de combustion de la turbomachine (1). 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel lesdits conduits (4) définissent plusieurs points pour l'injection de cendres volcaniques dans la chambre de combustion d'une turbomachine (1), au moins un de ces points d'injection étant adapté pour injecter les cendres volcaniques dans le sens d'écoulement de l'air dans une telle chambre de combustion, et au moins un de ces points d'injection étant adapté pour injecter les cendres volcaniques dans le sens contraire à l'écoulement de l'air dans la chambre de combustion. 7. Ensemble formant un banc d'essai de turbomachine, comprenant une turbomachine disposée dans une salle d'essai, et un système selon l'une des revendications 1 à 6 dont le conteneur (2) et le dispositif mécanique à doseur (3) sont disposées dans une salle de liaison, au-dessus de ladite salle d'essai de manière à être sensiblement à la verticale de la turbomachine, les conduits (4) reliant le doseur (3) de la salle de liaison à la chambre de combustion de la turbomachine dans la salle d'essai. 8. Procédé de test d'une turbomachine montée sur un banc d'essai, caractérisé en ce que, pour évaluer l'effet de cendres volcaniques sur le fonctionnement de la turbomachine, on injecte directement dans la chambre de combustion de ladite turbomachine testée une quantité contrôlée de cendres volcaniques. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la quantité de cendres volcaniques injectée directement dans la chambre de combustion de la turbomachine est comprise entre 2 et 4 milligrammes par mètre cube. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, dans lequel la cendre volcanique est injectée dans la chambre de combustion via la créationd'une différence de pression entre la chambre de combustion et des doseurs de cendre volcanique.