Brevet FR3017711A1 — publié le 20150821

Domaine de l'invention Le domaine de la présente invention est celui des bancs d'essais au sol pour turboréacteurs. Etat de la technique Les turboréacteurs nécessitent pour leur mise au point ou pour la vérification de leurs performances en sortie de maintenance, un passage sur un banc d'essais au sol. Ces essais sont conduits dans une installation fermée pour éviter les nuisances à l'environnement, notamment les nuisances sonores. Ces installations comprennent classiquement, comme cela sera expliqué en détail en référence aux figures 1 et 2, une alimentation en air, une salle dans laquelle est disposé le turboréacteur, et des moyens d'évacuation des gaz brûlés. Les moyens d'évacuation des gaz brulés comportent généralement une entité communément nommée par l'homme du métier « detuner » (pour désaccordeur en français) qui se place immédiatement en aval du turboréacteur et dont la fonction est de récupérer les gaz brûlés issus du turboréacteur et de les canaliser. Dans la suite, le detuner sera nommé collecteur de gaz. L'air qui traverse le turboréacteur est aspiré dans la salle du banc d'essais. La vitesse des gaz en sortie provoque une circulation de l'air dans la salle, dit air induit, qui passe autour du turboréacteur et qui est entraîné, par effet de trompe, par les gaz sortant de la tuyère d'échappement du turboréacteur. Par ailleurs, un des enjeux des bancs d'essais fermés est d'assurer une bonne évacuation des gaz issus du turboréacteur afin d'éviter toute réingestion des gaz chauds par le turboréacteur, c'est-à-dire un phénomène appelé recirculation qui perturbe le fonctionnement du turboréacteur et fausse donc les mesures que l'on effectue. On considère en pratique que la qualité de l'évacuation peut être quantifiée par le débit de l'air induit, un fort débit d'air induit réduisant les risques de réingestion. Le collecteur de gaz capte les gaz sortant du turboréacteur ainsi que l'air induit qui forme une circulation en couronne autour du jet de la tuyère. Ces gaz sont évacués, en sortie de la salle d'essais, par l'intermédiaire du collecteur de gaz, dans une salle, dite salle d'échappement, avant d'être rejetés dans l'atmosphère. Le collecteur de gaz comporte typiquement un pavillon tronconique disposé face à la tuyère d'échappement du turboréacteur, qui se continue par une canalisation cylindrique et qui se termine éventuellement par une buse conique de sortie. Les gaz en sortie de ce collecteur de gaz sont généralement repris par une seconde canalisation, dite tube mélangeur, où les gaz chauds issus du turboréacteur ainsi que l'air frais induit dans la salle d'essais se mélangent. Le collecteur de gaz est mobile en translation selon son axe de symétrie ce qui permet, en l'éloignant plus ou moins de la tuyère d'échappement du turboréacteur, d'optimiser la récupération des gaz. Le diamètre de la buse de sortie du collecteur d'échappement est adapté à un type de turboréacteur. En effet, sa section en sortie est dimensionnée pour pouvoir évacuer le débit du mélange des gaz chauds issus du turboréacteur et de l'air frais du débit induit de la salle d'essais. Le débit d'un turboréacteur plus puissant signifie un débit plus élevé de gaz chauds. Si la section de la buse de sortie du collecteur d'échappement reste constante entre le petit et le gros turboréacteur, cela implique que le débit d'air induit avec le gros turboréacteur sera moins important qu'avec le petit turboréacteur, ce qui peut entraîner une vitesse de l'air induit dans la salle d'essais trop faible d'où un risque de ré ingestion des gaz chauds par le turboréacteur ou un risque de formation de vortex dans la salle d'essais. Cela nécessite alors une section de sortie plus grande pour le collecteur de gaz avec un gros turboréacteur, en comparaison avec un petit turboréacteur. Généralement la section de sortie du collecteur de gaz est optimisée pour le plus gros turboréacteur qu'on désire tester dans le banc d'essais. Lorsqu'on veut alors tester un turboréacteur de plus petite dimension, il faut réduire la section de sortie et pour cela une solution consiste, par exemple, à rajouter une partie tronconique à la partie existante. Dans certains cas, cela peut s'avérer insuffisant et la seule solution est alors le remplacement du collecteur de gaz en place par un collecteur de gaz de plus petites dimensions. Exposé de l'invention La présente invention a ainsi pour but de proposer un collecteur de gaz pour banc d'essais réacteur qui soit adaptable à différentes tailles de turboréacteur, sans qu'il soit besoin de remplacer le collecteur ou de lui adjoindre des dispositifs complémentaires. A cet effet, l'invention a pour objet un collecteur de gaz pour banc d'essais de turboréacteur comportant un pavillon d'entrée et une partie cylindrique accolée en aval dudit pavillon, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre en aval de la partie cylindrique, une buse de sortie à section variable. Cette variabilité permet d'installer dans le banc des turboréacteurs de puissance différente et de pouvoir adapter l'aérodynamique du banc aux différents débits qui traversent le turboréacteur en essai. Avantageusement la partie cylindrique est une partie cylindrique circulaire, la buse de sortie formant un tronc de cône s'évasant vers l'intérieur à partir de ladite partie cylindrique. De façon plus avantageuse la section de sortie dudit tronc de cône varie entre la section de ladite partie cylindrique et une section plus réduite. Dans un mode préférentiel de réalisation la buse de sortie est formée par une succession circonférentielle de volets mobiles, lesdits volets étant articulés autour d'un axe tangent à ladite partie cylindrique. Préférentiellement lesdits volets ont une forme trapézoïdale et sont jointifs dans la position pleinement fermée de la buse de sortie. Plus préférentiellement le cône de sortie comporte deux séries de volets mobiles, articulés chacun autour d'un axe tangent à ladite partie cylindrique, les volets d'une seconde série étant superposés aux volets de la première série et décalés angulairement par rapport à eux. Cette configuration permet d'éliminer les fuites inter-volets quand la section de sortie est supérieure à la section plein fermée. De façon préférentielle les volets des deux séries ont une forme trapézoïdale, les volets de chacune des séries étant jointifs dans la position plein fermée de la buse de sortie. De façon plus préférentielle les volets des deux séries ont une même forme trapézoïdale. Dans un mode particulier de réalisation le mouvement des volets de la seconde série, respectivement de la première série, est généré par le mouvement des volets de la première série, respectivement de la seconde série. L'invention porte également sur un banc d'essais comprenant une salle d'essai apte à recevoir un turboréacteur et une salle d'échappement séparée de la salle d'essai par une cloison, le collecteur de gaz traversant ladite cloison et étant apte à être déplacé à travers la cloison pour être fixé dans une position parmi plusieurs positions prédéterminées tout en maintenant une relative étanchéité entre la salle d'essai et la salle d'échappement, le banc d'essais comportant un collecteur de gaz tel que décrit ci-dessus. Présentation des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, 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 ces dessins : - la figure 1 est une vue générale, de face, d'un banc d'essais fermé pour turboréacteur ; - la figure 2 est une vue de détail, en coupe, de la figure 1, montrant la salle d'essais et le collecteur de gaz ; - la figure 3 est une vue de face d'un collecteur de gaz selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue en perspective du collecteur de gaz de la figure 3, dans la configuration pour un turboréacteur de petite taille ; - la figure 5 est une vue en perspective du collecteur de gaz de la figure 3, dans la configuration pour un turboréacteur de grande taille ; - la figure 6 est une vue de face, respectivement, d'un volet commandé et d'un volet suiveur pour la réalisation du collecteur de gaz de la figure 3, et - la figure 7 est une vue de face d'un assemblage de volets commandés et de volets suiveurs, pour la réalisation du collecteur de gaz de la figure 3. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention En se référant à la figure 1, on voit un banc fermé pour réaliser des essais au sol sur un turboréacteur 1. Ce banc comprend, tout d'abord, en amont (les termes amont et aval se référant dans la suite de la description au sens d'écoulement de l'air dans le turboréacteur), une salle d'admission d'air 100. Celle- ci comporte une cheminée verticale d'admission d'air 101 et une salle amont 102 d'alimentation de la salle d'essai 200 où se situe le turboréacteur en essai. Entre la cheminée d'admission 101 et la salle amont 102 sont positionnés classiquement des dispositifs de redressement du flux d'air 103 qui assurent une déviation de cet air, de sa direction verticale vers une direction horizontale, pour réduire les pertes aérodynamiques associées à ce changement de direction. En sortie de la salle d'admission 100, l'air pénètre dans la salle d'essai 200 proprement dite, dans laquelle est positionné le turboréacteur 1 à évaluer et qui sera décrite plus en détail en référence à la figure 2. En aval de ce turboréacteur 1 est disposé un collecteur de gaz 2 qui a pour objet de canaliser les gaz issus du turboréacteur et le flux induit par ces gaz. Une cloison 201 sépare la salle d'essai 200 de la salle d'échappement 300 qui lui fait suite. Cette cloison est traversée par le collecteur de gaz 2 qui peut être déplacé longitudinalement à travers elle pour être fixé dans une position parmi plusieurs positions prédéterminées, tout en maintenant une relative étanchéité entre la salle d'essai et la salle d'échappement. En d'autres termes, le collecteur de gaz 2 constitue quasiment le seul passage pour les gaz passant de la salle d'essai vers la salle d'échappement. Outre sa fonction d'étanchéité, la cloison 201 peut être prévue pour assurer une fonction structurelle de support du collecteur de gaz 2. En sortie de la salle d'essai 200 les gaz issus du turboréacteur et le flux induit passent dans la salle d'échappement 300 qui a sensiblement une forme miroir de la salle d'admission 100, c'est-à-dire qu'elle comporte une première salle, horizontale, d'échappement 301 qui débouche dans une cheminée verticale 302 d'éjection des gaz vers l'extérieur. En se référant maintenant à la figure 2, on voit le turboréacteur en essai 1 qui est positionné sur un socle 3 ; ce socle comporte généralement un dispositif de mesure de la poussée exercée par le turboréacteur, connu sous le nom de balance de poussée. Dans la version représentée le turboréacteur est posé sur un socle ; dans des versions alternatives de réalisation d'un banc d'essais, il peut être suspendu à un portique qui est fixé au plafond de la salle d'essais, comme cela est illustré sur la figure 1. En aval du turboréacteur est placé le collecteur de gaz 2, qui se compose d'un corps tronconique, formant pavillon d'entrée 4, se poursuivant vers l'aval par un corps cylindrique 5 et se terminant par une buse de sortie 6 en forme de tuyère tronconique. Comme indiqué précédemment, ce collecteur de gaz est déplaçable en translation selon l'axe du turboréacteur, dans le but d'optimiser la circulation des gaz provenant de la tuyère du turboréacteur et de l'air induit par ce flux de gaz. Sur le plan aérodynamique, l'air circulant dans la salle d'essais se divise principalement en deux flux : d'une part, un flux primaire 10 qui est aspiré par le turboréacteur et qui sort par la tuyère sous la forme d'un jet 11 de gaz chaud, et, d'autre part, un flux induit 12 qui est aspiré dans la salle 1 par l'entraînement du flux primaire. Ce flux induit circule autour du turboréacteur et pénètre dans le collecteur de gaz 2 en entourant le jet 11 ; il se mélange ensuite au flux primaire en sortie du collecteur de gaz et surtout dans le tube mélangeur. Enfin une circulation parasite, dite flux de recirculation 13, fait remonter une partie de l'air qui sort par la tuyère du turboréacteur vers l'amont, où il peut être happé par l'entrée d'air et réinjecté dans la veine du turboréacteur. Diverses techniques connues de l'homme du métier sont mises en oeuvre pour minimiser, voire annuler, ce flux de recirculation. Alors que le flux primaire 10 s'ajuste diamétralement à l'entrée du turboréacteur sur la corolle du pavillon de l'entrée d'air, le flux induit 12 s'ajuste sur le pavillon 4 du collecteur de gaz 2. La figure 3 montre, en vue de face, un collecteur de gaz 2 selon l'invention. Il comprend une entrée d'air 4 en forme de corolle qui s'évase en direction de l'amont dans le but de capter le jet 11 et un maximum de flux induit 12 pour éviter les recirculations 13. Cette corolle 4 est illustrée sur la figure 3, sans que cette configuration soit impérative, par la juxtaposition de deux troncs de cône d'ouvertures différentes, qui se prolongent en étant adjacents. Vers l'aval, cette corolle 4 se prolonge par un cylindre circulaire 5, de section constante, et dont la longueur est adaptée pour améliorer l'homogénéité du mélange des flux de jet 11 et induit 12. Le collecteur de gaz 2 présente un axe central de symétrie qui coïncide avec l'axe du cylindre circulaire 5, et qui s'étend sensiblement à l'horizontale dans la configuration représentée. Enfin, en aval de cette partie cylindrique 5, le collecteur de gaz 2 comporte une buse tronconique 6 qui réduit la section de passage du mélange des gaz. Cette section est plus ou moins grande selon le débit d'air qui circule dans le turboréacteur en essai ; la valeur de cette section permet une optimisation de l'écoulement dans le banc d'essais du fait de l'adaptation aérodynamique qu'elle produit entre le flux qui est issu du turboréacteur et celui qui traverse le collecteur de gaz. Selon l'invention, l'angle que forme la buse tronconique 6 avec l'axe central du collecteur de gaz, c'est-à-dire la moitié de l'angle au sommet du cône virtuel formé par la buse tronconique, est variable pour permettre, avec un même collecteur, de tester des turboréacteurs de tailles différentes. Une modification de cet angle, par un braquage plus ou moins important des volets, change les caractéristiques aérodynamiques du banc et permet de rendre celui-ci compatible avec un nouveau turboréacteur en essai. Dans ce qui suit, on appelle cône de sortie la buse tronconique 6, sans que la forme tronconique illustrée soit impérative. Les figures 4 et 5 montrent le cône de sortie 6 du collecteur 2 selon l'invention, dans les cas, respectivement, d'une utilisation pour un turboréacteur de faible taille (et donc de faible débit traversant) et pour un turboréacteur de grande dimension (à fort débit traversant). Le cône de sortie 6 est réalisé sous la forme d'une double rangée annulaire de volets, des volets commandés 7 et des volets suiveurs 8, qui sont superposés et décalés circulairement en quinconce. Les volets d'une même rangée sont rattachés par une de leur extrémité à l'extrémité aval du corps cylindrique 5 et sont mobiles en rotation autour d'un axe tangent au cercle formé par ladite extrémité aval du corps 5. Ils peuvent ainsi être orientés plus ou moins vers l'axe central du collecteur de gaz et obturer plus ou moins la section de sortie de ce collecteur. On entend par axe tangent non seulement un axe tangent au sens purement géométrique, c'est-à-dire une droite présentant un point de contact avec la surface extérieure du corps cylindrique 5, mais également un axe parallèle à ladite droite et quelque peu décalé radialement vers l'extérieur voire vers l'intérieur du corps 5. Les volets commandés 7 peuvent être actionnés mécaniquement par un système de biellettes, ou de cames, par un système de vérins à commande pneumatique ou électrique, ou par tout autre système de commande. Quant aux volets suiveurs 8, ils sont mécaniquement liés aux volets commandés 7 par un dispositif de liaison dont la conception peut être en soi similaire à celle de dispositifs de liaison connus dans des tuyères à section variable, comme par exemple des tuyères de turboréacteurs d'avions militaires. Un système de commande et de liaison des volets par exemple tel que celui décrit dans le brevet FR2877052B1 s'avère approprié. Sur la figure 4 le cône 6 est représenté dans sa position de section minimale ; celle- ci est adaptée au flux traversant un turboréacteur de petite taille, alors que sur la figure 5, le cône est représenté dans sa position de pleine ouverture et sa section est alors adaptée à un turboréacteur de forte taille. Dans la position de la figure 4 les volets d'une même rangée, tant les volets commandés 7 que les volets suiveurs 8, sont jointifs, leur forme trapézoïdale étant définie à cette fin. On obtient alors la section de sortie minimale qu'il est possible de donner au collecteur de gaz. A contrario, dans la position de la figure 5, les volets d'une même rangée, tant les volets commandés 7 que les volets suiveurs 8, sont parallèles à l'axe du corps cylindrique 5 et la section de sortie obtenue est maximale car égale ou quasiment égale à celle de ce corps cylindrique. Les volets ne sont alors pas jointifs mais la continuité de la veine est assurée par le décalage des volets suiveurs 8 par rapport aux volets commandés 7. Avantageusement, l'axe médian d'un volet suiveur 8 coïncide approximativement avec l'axe médian d'un triangle formé par un côté oblique d'un volet commandé 7 et le côté oblique voisin sur un volet commandé adjacent. Tels que représentés les volets suiveurs sont positionnés à l'intérieur des volets commandés. Avantageusement, le système de commande des volets commandés est installé à l'extérieur du corps cylindrique 5 et au niveau de l'extrémité aval du corps, de façon à pouvoir actionner les volets commandés tout en limitant l'encombrement du système. Les volets suiveurs pourraient tout aussi bien être positionnés à l'extérieur des volets commandés, à condition de prévoir un système de commande dont les organes d'actionnement, comprenant par exemple des bielles articulées sur les volets commandés, ne soient pas gênés par les volets suiveurs pour actionner les volets commandés. La figure 6 montre la forme choisie pour les volets tant commandés 7 que suiveurs 8. La même forme est choisie, de préférence pour les deux séries correspondant aux deux rangées de volets. Comme indiqué ci-dessus, cette forme est, en plan, sensiblement celle d'un trapèze isocèle dont la forme dépend du nombre de volets commandés (ou suiveurs) ainsi que des sections amont et d'éjection souhaitées. La longueur des volets dépend du rapport de contraction entre la section amont, qui correspondant sensiblement à la section du corps cylindrique 5, et la section aval minimale avec les volets jointifs, ainsi que de l'angle de braquage retenu pour les volets. Le grand côté 7a ou 8a est dimensionné pour que la longueur d'une série de volets soit sensiblement égale à la circonférence du corps cylindrique 5 ; quant au petit côté 7b ou 8b, il est dimensionné pour que la longueur de cette série soit sensiblement égale à la circonférence de la plus petite section de sortie envisagée. Les côtés obliques 7c et 8c du trapèze sont dimensionnés de façon à assurer une transition aérodynamique douce pour le passage des gaz entre le corps cylindrique 5 et le cône de sortie 6. Enfin la figure 7 montre un ensemble de volets commandés 7 et de volets suiveurs 8 assemblés au niveau de l'extrémité aval du corps cylindrique 5, dans la position où la section de sortie obtenue est maximale et donc adaptée à un turboréacteur de forte puissance. Les volets commandés 7, qui apparaissent dans la configuration choisie, à l'extérieur des volets suiveurs 8, sont jointifs uniquement au niveau de leurs grands côtés 7a alors que leurs petits côtés 7b sont disjoints et laissent apparaître entre eux le petit côté 8b des volets suiveurs 8. L'extension latérale des volets commandés 7 et suiveurs 8 est telle qu'ils assurent un recouvrement sur toute leur longueur et forment une paroi continue pour les gaz au niveau du cône de sortie 6. Le principe de l'invention consiste ainsi à prévoir un collecteur de gaz dont le diamètre du corps cylindrique 5 est adapté au débit d'air d'un gros turboréacteur et d'y adjoindre une partie tronconique aval 6 à section ajustable. L'adaptabilité de la section d'éjection est obtenue au moyen d'un jeu de volets commandés 7 et d'un jeu de volets suiveurs 8, préférablement de même nombre, qui viennent obstruer plus ou moins la section de sortie et donc réduire la section aérodynamiquement efficace du collecteur. La valeur des deux sections, plein ouvert ou plein fermé, est choisie de façon à correspondre aux deux versions extrêmes de taille de turboréacteur que l'on est susceptible de vouloir mettre en oeuvre sur ce banc d'essais. Lorsque la section de sortie est réglée au maximum de sa fermeture, les volets commandés 7 sont parfaitement jointifs, assurant une circularité parfaite dans le plan d'éjection. Lorsque la section de sortie est ouverte à son maximum, et égale à celle du cylindre 5, les volets commandés 7 ne sont plus jointifs et présentent une section de fuite inter-volets non négligeable. Ce problème est résolu dans l'invention par l'adjonction de volets suiveurs, qui sont situés sur ou sous les volets commandés, et qui sont disposés en quinconce par rapport à ceux-ci. Ils permettent ainsi de supprimer les fuites et d'assurer à nouveau la circularité de la section d'éjection. L'invention permet ainsi de définir un collecteur de gaz unique pour le banc d'essais, qui soit suffisamment ouvert pour pouvoir tester des gros turboréacteurs et ne pas être limité en débit, et qui soit ajustable pour pouvoir être utilisé avec des turboréacteurs de plus petite taille. Le collecteur de gaz selon l'invention peut alors être bridé pour certaines utilisations, tout en conservant une efficacité maximale, et il permet de revenir dans un temps très rapide dans une configuration adaptée à un autre turboréacteur, sans aucune dégradation matérielle et sans qu'il y ait besoin d'un outillage spécifique. Aucune pièce supplémentaire d'adaptation de banc n'est en effet à fabriquer entre les cycles de deux turboréacteurs différents, ce qui induit un gain de temps important pour l'utilisateur. De plus, le collecteur de gaz permet d'optimiser l'adaptation du banc d'essais au turboréacteur, en rajoutant un degré de liberté au moment des essais effectués sur un nouveau type de turboréacteur. Cette adaptation optimale peut être obtenue sur place, par des réglages successifs de la section de sortie du collecteur de gaz, alors que précédemment cette section était obtenue sur la base de simulations partielles puis était figée avant la mise en place du turboréacteur dans le banc d'essais.20 REVENDICATIONS1. Collecteur de gaz pour banc d'essais de turboréacteur comportant un pavillon d'entrée (4) et une partie cylindrique (5) accolée en aval dudit pavillon, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre en aval de la partie cylindrique, une buse de sortie (6) à section variable. 2. Collecteur de gaz selon la revendication 1 dans lequel la partie cylindrique (5) est une partie cylindrique circulaire, la buse de sortie formant un tronc de cône (6) s'évasant vers l'intérieur à partir de ladite partie cylindrique (5). 3. Collecteur de gaz selon la revendication 2 dans lequel la section de sortie dudit tronc de cône (6) varie entre la section de ladite partie cylindrique (5) et une section plus réduite. 4. Collecteur de gaz selon la revendication 3 dans lequel la buse de sortie (6) est formée par une succession circonférentielle de volets mobiles (7), lesdits volets étant articulés chacun autour d'un axe tangent à ladite partie cylindrique (5). 5. Collecteur de gaz selon la revendication 4 dans lequel lesdits volets ont une forme trapézoïdale et sont jointifs dans la position pleinement fermée de la buse de sortie (6). 6. Collecteur de gaz selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel la buse de sortie (6) comporte deux séries de volets mobiles, les volets d'une première série (7) étant superposés aux volets de la seconde série (8) et décalés angulairement par rapport à eux. 7. Collecteur de gaz selon la revendication 6 dans lequel les volets des deux séries ont une forme trapézoïdale, les volets de chacune des séries étant jointifs dans la position pleinement fermée de la buse de sortie (6). 8. Collecteur de gaz selon la revendication 7 dans lequel les volets des deux séries ont une même forme trapézoïdale. 9. Collecteur de gaz selon l'une des revendications 6 à 8 dans lequel le mouvement des volets de la seconde série (8), respectivement de la première série, est généré par le mouvement des volets de la première série (7), respectivement de la seconde série. 10. Banc d'essais pour turboréacteur comprenant une salle d'essai (200) apte à recevoir un turboréacteur (1) et une salle d'échappement (300) séparée de la salle d'essai (200) par une cloison (201), le collecteur de gaz (2) traversant laditecloison et étant apte à être déplacé à travers la cloison pour être fixé dans une position parmi plusieurs positions prédéterminées tout en maintenant une relative étanchéité entre la salle d'essai et la salle d'échappement, ledit banc d'essais comportant un collecteur de gaz (2) selon l'une des revendications 1 à 9.