Brevet FR3014845A1 — publié le 20150619

L'invention concerne un système de prélèvement de fluide comportant un conduit d'extraction apte à diriger le fluide depuis un orifice d'entrée du conduit jusqu'à au moins un orifice de sortie de celui-ci. Le plus souvent, le système de prélèvement de fluide comporte en outre un collecteur de fluide apte à collecter du fluide et le diriger vers l'orifice d'entrée du conduit d'extraction. Un tel système est habituellement fixé sur la paroi d'un avion ou plus généralement d'un véhicule circulant à vitesse élevée. Il sert alors à refroidir certaines parties du véhicule, notamment le moteur. En effet à bord de véhicules, il est parfois nécessaire de refroidir certains organes qui dégagent de la chaleur. Ce refroidissement peut être effectué notamment en utilisant le fluide dans lequel circule le véhicule, en tant que fluide caloporteur, notamment l'air ambiant dans le cas d'aéronefs et par exemple d'avions. Pour collecter l'air ambiant, on utilise de manière connue en soi un collecteur qui collecte le fluide ou l'air et le dirige vers un orifice, dit orifice d'entrée. Un conduit d'extraction relié à cet orifice d'entrée de fluide dirige alors le fluide vers une enceinte dans laquelle se trouve la partie de véhicule à refroidir. Le fluide est alors injecté dans cette enceinte via un orifice de sortie du conduit d'extraction. En général, ce conduit est de section carrée ou rectangulaire. Il a été constaté que l'écoulement du fluide dans ce conduit se produit au moins en partie de manière fortement tourbillonnaire. Ces tourbillons entraînent des pertes de charge élevée ; par suite, le refroidissement assuré par le système de prélèvement d'air peut s'avérer insuffisant, et/ou il peut devenir nécessaire de surdimensionner le système de prélèvement, ce qui se fait au détriment des performances aérodynamiques du véhicule. Par conséquent, un but de l'invention est de proposer un système 30 de prélèvement de fluide du type présenté en introduction, et permettant de diriger du fluide sur une partie du véhicule de manière à provoquer un refroidissement efficace de celle-ci. Ce but est atteint grâce au fait que le conduit comporte au moins un orifice de sortie de section sensiblement elliptique. Dans la suite, cet 35 orifice est appelé 'premier orifice de sortie. Il s'est avéré en effet que, parmi tous les paramètres susceptibles d'optimisation dans un système de prélèvement de fluide, la forme de l'orifice de sortie joue un rôle spécifique et important dans le comportement du fluide acheminé par le système de prélèvement. Et il s'est avéré en particulier qu'une forme en ellipse pour certains orifices - et au moins pour le premier orifice de sortie - facilite avantageusement la diffusion uniforme du flux de fluide, en évitant la formation de turbulences au voisinage des parois du conduit. En effet, la forme elliptique ne comporte pas d'angles, contrairement aux conduits de section rectangulaire, dont les angles forment des zones propices à la formation de turbulences. De plus, avantageusement, la forme elliptique de la section d'un ou plusieurs orifices de sortie n'est pas incompatible avec un certain degré d'aplatissement du conduit d'extraction (ou de certaines branches de sortie de celui-ci) : le ratio entre le grand diamètre et le petit diamètre de l'ellipse en effet peut être supérieur à 1,5, et même à 3. Il peut atteindre une valeur de 8. Grâce à cela, le conduit dans la direction du petit diamètre conserve une dimension assez faible, ce qui limite les problèmes d'encombrement à l'intérieur de la paroi du véhicule sur laquelle est fixé le système de prélèvement. Pour un orifice de sortie, le choix d'une section de forme elliptique permet donc de diriger le fluide sortant de cet orifice vers la partie du véhicule à refroidir rapidement et avec une efficacité maximale. Elle permet donc de refroidir efficacement la partie du véhicule vers laquelle est dirigé le flux de fluide sortant. Le collecteur peut être une écope telle qu'utilisée sur les avions, et notamment une écope de type « flush », c'est-à-dire une écope formée en creux et non en saillie par rapport à la surface du véhicule dans laquelle elle est installée. Dans un mode de réalisation, le conduit comporte une portion, dite portion de transfert, dont une section a une aire qui est constante ou croît progressivement, notamment de manière sensiblement linéaire, en fonction de l'abscisse curviligne sur une fibre neutre du conduit. Par 'fibre neutre', on désigne ici la courbe passant par le barycentre des différentes sections du conduit, mesurées perpendiculairement à la direction (locale) de celui-ci. La section de la portion de transfert est de préférence croissante de l'amont vers l'aval, en faisant référence au sens de circulation du fluide dans le système de prélèvement de fluide. La portion de transfert peut notamment s'étendre à partir de l'orifice d'entrée, c'est-à-dire qu'en amont elle est directement reliée au collecteur de fluide. Contrairement à l'orifice de sortie, la portion de transfert peut avoir une section sensiblement rectangulaire. Il a été constaté en effet que c'est surtout la dernière portion en aval du conduit d'extraction qui joue un rôle déterminant quant aux propriétés du jet dirigé sur la partie du véhicule à refroidir. Par ailleurs, dans les systèmes de prélèvement de fluide connus, le conduit est généralement de section constante. Par suite, le jet de fluide dirigé sur la partie du véhicule qui doit être refroidie est un jet concentré et de vitesse relativement élevée. Ce jet est donc généralement dirigé de manière relativement brutale sur la ou les parties du véhicule à refroidir : or, un tel jet s'est avéré comme étant relativement peu efficace en termes de refroidissement. Pour remédier à cet inconvénient, dans un mode de réalisation de l'invention le conduit comporte un diffuseur : qui s'étend en amont depuis une section du conduit dite section de transition, d'aire At, jusqu'à un orifice de sortie, et - dont une section a une aire (A) qui croît de manière convexe en fonction de l'abscisse curviligne (x) sur une fibre neutre du conduit, dans le sens de l'amont vers l'aval. Le fait que l'aire A(x) de la section du diffuseur croisse de manière convexe signifie que la fonction A est une fonction convexe. Cette forme de la courbe représentative de l'aire de la section du diffuseur permet avantageusement d'augmenter la section du flux de fluide dans le conduit et de réduire la pression dans le flux de fluide. Elle permet par suite de diffuser le flux d'air frais en sortie de façon homogène et non brutale sur la partie du véhicule à refroidir. (Dans ce document, une section du conduit est une section du conduit prise dans un plan perpendiculaire à la fibre neutre de celui-ci). De préférence, le diffuseur commence ou s'étend de préférence du côté amont à partir de la portion de transfert. Ainsi, le diffuseur assure une transition douce de la portion de transfert jusqu'à la sortie du conduit. Dans un mode de réalisation, le conduit d'extraction comporte une pluralité d'orifices de sortie. Dans ce cas, une pluralité de ceux-ci et de préférence tous ceux-ci peuvent être agencés avec une section de forme elliptique. Dans ce cas en outre, une pluralité des orifices de sortie peuvent présenter un diffuseur tel que défini précédemment. Ce ou ces diffuseur(s) peuvent être disposés sur des portions aval du conduit d'extraction ayant ou non des orifices de sortie de section elliptique. Dans le cas où le conduit d'extraction présente un seul orifice de 10 sortie, le système de prélèvement selon l'invention peut comprendre de préférence une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou en combinaison : La largeur du conduit peut être sensiblement constante, depuis l'orifice d'entrée jusqu'à la section de transition. Elle est de préférence 15 croissante. La largeur Lt de la section de transition vérifie alors de préférence : Li .5 Lt 5 1,05 * Li, ou seulement 0,95 * Li .5 Lt 5 1,05 * Li où Li est la largeur de la section de l'orifice d'entrée. 20 L'aire A de la section du conduit peut être sensiblement constante, ou de préférence légèrement croissante, depuis l'orifice d'entrée jusqu'à la section de transition, c'est-à-dire jusqu'au diffuseur. Par suite, l'aire de la section de transition peut notamment vérifier : 1,03 Ai .5 At, 25 où Ai est l'aire de la section de l'orifice d'entrée et At est l'aire de la section de transition. Celle-ci peut vérifier en outre de préférence : At 5 1,09 Al A contrario, l'aire de la section du conduit augmente nécessairement (de manière plus ou moins rapide) dans le diffuseur. L'aire 30 Ao de la section de l'orifice de sortie du diffuseur vérifie de préférence : 1,1 * At 5 Ao Elle vérifie en outre de préférence : Ao _5 10 * At 35 Enfin, la forme évasée du diffuseur présente de préférence la propriété suivante : Dans tout plan méridien, l'angle d'ouverture formé entre les deux droites passant respectivement de chaque côté de la fibre 3014 84 5 5 neutre du conduit par les points limites externes de la section de transition et de l'orifice de sortie du diffuseur, est compris entre 25° et 90°. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation 5 représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un système de prélèvement selon l'invention ; la figure 2 est une autre vue schématique en perspective du système de prélèvement de la figure 1 ; la figure 3 est une vue latérale schématique du système de prélèvement de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue schématique de dessus du système de prélèvement de la figure 1 ; et la figure 5 représente une courbe présentant des variations de la distance de la limite de la section du conduit à la fibre neutre du conduit, en fonction de l'abscisse curviligne le long du conduit. Un système 10 de prélèvement de fluide selon l'invention va être décrit en relation avec les figures 1 à 5. Le système 10 comporte un collecteur de fluide ou écope 12 et un conduit d'extraction de fluide 14. Le collecteur ou écope 12 est fixé à la surface interne d'une paroi 16. Dans le cas présenté, cette paroi est la paroi de la nacelle d'un moteur d'avion. L'écope 12 est une écope affleurante (« Flush ») de forme Naca usuelle en aéronautique. Elle comporte une partie amont de collecte de fluide 18 et un orifice d'entrée d'air 20 dont la section a une aire A. La partie 18 de collecte de fluide a la forme d'une rainure de 30 largeur croissante formée dans la paroi 16. Sur son côté aval (du côté opposé à la direction de la flèche B), cette rainure 18 est délimitée : - à la surface de la paroi 16, par la paroi 16 elle-même qui forme un bord d'attaque 21 ; en dessous de ce bord d'attaque 21, la rainure s'ouvre sur l'orifice d'entrée 20 du conduit d'extraction de fluide 14, par lequel elle alimente celui-ci en fluide. L'écope 12 est orientée du côté amont dans la direction B d'avance du moteur dans l'air. Du fait de sa forme, lorsque l'avion est en vol, elle collecte de l'air ambiant et dirige celui-ci dans l'orifice d'entrée d'air 20. Le conduit 14 est disposé immédiatement en aval de l'orifice 20. Il reçoit l'air collecté par l'écope 12 et le dirige à l'intérieur de la nacelle vers un composant à refroidir non représenté. Dans un plan perpendiculaire à la direction de déplacement de l'avion (Axe X, Fig.2), l'orifice 20 d'entrée d'air a une section de forme rectangulaire d'aire Ai, de hauteur égale à environ 20 mm, et de largeur Li égale à environ 70 mm dans l'exemple présenté. Sa hauteur peut être comprise dans une plage 10 à 50 mm, et sa largeur dans une plage 40 à 300 mm, à titre d'exemple. Classiquement la largeur de l'orifice d'entrée d'air est égale environ à quatre fois la hauteur de celui-ci. L'aire de la section 20 est notamment dimensionnée en fonction du débit d'air que l'on veut faire passer par cette section. Le conduit 14 comporte deux parties : du côté amont, une portion 22, dite portion de transfert ; et en aval de celle-ci, une portion de diffusion ou diffuseur 24. La section du conduit 14 à la limite amont du diffuseur 24 est dite section de transition ; elle présente une largeur Lt et une aire At. Dans le cas représenté la section de transition est la limite aval de la portion de transfert 22. Les variations de l'aire A de la section du conduit 14 sont présentées sur la figure 5, en liaison avec la figure 4. L'aire A est fonction de l'abscisse curviligne X mesurée le long de la fibre neutre F du conduit 14. Dans ce mode de réalisation, en suivant la circulation de fluide dans le conduit 14 de l'amont vers l'aval, l'abscisse X est parcourue conventionnellement dans le sens décroissant : le fluide passe d'abord par l'orifice d'entrée d'air 20 dont la section est à l'abscisse Xi; il passe ensuite par la section de transition à l'abscisse Xt, et est éjecté hors du système de prélèvement d'air à la sortie du diffuseur 24, à l'abscisse X=0. On a donc l'inégalité : X1 > Xt > 0. 3014 845 7 La portion de transfert 22 sert à transporter le fluide collecté par l'écope 12 depuis l'orifice d'entrée d'air jusqu'au diffuseur 24 ; elle peut avoir éventuellement une relativement grande longueur. Elle peut également comporter une ou plusieurs bifurcations, c'est-à-dire des 5 parties au niveau desquelles le conduit, dans le sens de l'amont vers l'aval, se divise en deux conduits ou davantage. L'aire A de la section de la portion de transfert 22 est en général relativement constante, et de préférence légèrement croissante de l'amont vers l'aval. Dans l'exemple présenté, l'aire A est constante dans la portion 10 de transfert 22, de l'abscisse Xi à l'abscisse Xt. La portion de transfert 22 a une section rectangulaire. Dans la portion de transfert 22, l'aire A du conduit croit linéairement et très progressivement à partir de l'aire Ai de l'orifice d'entrée et jusqu'à l'aire At de la section de transition, qui constitue la sortie aval de la portion de 15 transfert. L'aire de la section de transition se situe de préférence dans la plage allant de 1,03 A; à 1,09 A. Par ailleurs, la largeur Lt de la section de transition est égale à celle LI de l'orifice d'entrée et ainsi : Lt= Li. A partir de la section de transition, le fluide pénètre dans le 20 diffuseur 24, situé immédiatement en aval de la portion de transfert 22. Dans le diffuseur 24, l'aire A de la section du conduit 14 croît de manière convexe en fonction de l'abscisse curviligne X. Elle croît donc de manière nettement plus rapide que dans la portion de transfert 22. Le diffuseur 24 s'étend vers l'aval à partir de la portion de transfert 25 22. Il présente une forme de cornet évasé servant à diffuser le jet de fluide dans un angle solide relativement grand, compte tenu de la section relativement réduite du conduit d'extraction. Le diffuseur a une section qui évolue depuis une forme rectangulaire en amont (à savoir, la forme de la section de transition) 30 jusqu'à la forme elliptique de la section de l'orifice de sortie 25. L'aire A du diffuseur, exprimée en fonction de l'abscisse curviligne sur une fibre neutre du conduit, ne fait que croître de l'amont vers l'aval, depuis l'aire At de la section de transition jusqu'à l'aire Ao de la section de l'orifice de sortie. 35 L'aire A(x) de la section du diffuseur est une fonction convexe. La courbe qui la représente présente donc une portion arrondie vers le haut, sur la partie droite de la figure 5 entre les abscisses curvilignes Xt (abscisse de la section de transition) et X. (abscisse de l'orifice de sortie). Cette forme arrondie vers le haut se distingue de la forme droite (c'est-à-dire formant un segment de droite) de la partie de courbe linéaire qui représente la portion de transfert, entre l'abscisse )(ide l'orifice d'entrée et l'abscisse Xt. Grâce au fait que l'aire croît de manière convexe, dans le diffuseur 24, l'accroissement de la section se produit plus lentement en amont qu'en aval, grâce à quoi le gradient de pression reste constant le long du canal, diminuant ainsi les pertes de charge de l'ordre de 40% par rapport à un diffuseur à parois rectilignes. On définit par ailleurs l'angle d'ouverture f3 comme étant, dans un plan méridien, l'angle formé entre les deux droites (D1 et D2, Fig.4) passant par les points limites du côté extérieur de la section de transition et de l'orifice de sortie, respectivement de part et d'autre de la fibre neutre du conduit. Quel que soit le plan méridien, dans le diffuseur 24 l'angle d'ouverture (3 entre les droites Dl et D2 reste compris entre 25° et 90°. Par ailleurs, la forme de la paroi du diffuseur 24 est définie de la manière suivante. La distance suivant la direction perpendiculaire à la fibre neutre du conduit entre la paroi et la fibre neutre du conduit, en fonction de l'abscisse curviligne 'x', est régie sensiblement par l'équation suivante : Y 1 ld 3/0) [0713 dans laquelle : x désigne l'abscisse curviligne le long de la fibre neutre du conduit, et vaut Id au niveau de la section amont du diffuseur, et 0 au niveau de l'orifice de sortie ; y désigne la distance radiale, dans le plan méridien considéré, par rapport à la fibre neutre ; y1 3014 845 9 y0 et y1 désignent la distance radiale respectivement au niveau de la section de transition en amont du diffuseur (X=Xt) et au niveau de l'orifice de sortie du diffuseur (X=0). Au niveau de la section de transition, la forme du conduit 14 est 5 agencée de manière à assurer une continuité de tangence et de courbure entre les parois de la portion de transfert et celles du diffuseur. La valeur y1 est choisie de telle sorte que l'aire A. de l'orifice de sortie 25 reste dans la plage préférentielle entre 1,1 k et 10 At. Ceci 10 permet que le flux à l'éjection ne soit pas décollé, c'est-à-dire ne soit pas fortement turbulent au voisinage des parois du diffuseur 24. Enfin, on appelle « angle d'éjection » l'angle limite que fait la fibre neutre du diffuseur à l'orifice de sortie du conduit par rapport à la paroi 15 sur laquelle est fixé le système de prélèvement. De préférence, l'angle d'éjection est faible, notamment inférieur à 30°. Par suite, la fibre neutre F du conduit forme également un angle faible par rapport la paroi dans laquelle est agencé le système de prélèvement. Le fond 13 de l'écope 12 présente classiquement un angle 20 voisin de 7° par rapport à la paroi sur laquelle est fixé le système de prélèvement. (Fig.3). Bien que dans l'exemple présenté, le conduit d'extraction 14 ne présente qu'un orifice de sortie, la présente invention peut être réalisée avec un conduit d'extraction 14 présentant un ou plusieurs 25 embranchements et par suite une pluralité d'orifices de sortie. Dans ce dernier cas, les relations entre l'aire de la section de sortie et l'aire de la section d'entrée du conduit 14 s'appliquent à la somme ko des aires des différents orifices de sortie (plutôt qu'à l'aire de l'un ou l'autre des différents orifices de sortie). L'aire ko de la section cumulée 30 des orifices de sortie vérifie alors de manière préférentielle : As. 1,1 * A;, et/ou As. 5_ 10 *35 REVENDICATIONS1. Système (10) de prélèvement de fluide comportant un conduit d'extraction (14) apte à diriger le fluide depuis un orifice d'entrée (20) dudit conduit jusqu'à au moins un orifice de sortie dudit conduit ; le système se caractérisant en ce qu'au moins un premier orifice de sortie est de section sensiblement elliptique (25). 2. Système (10) de prélèvement de fluide selon la revendication 1, dans lequel le conduit (14) comporte une portion (22), dite portion de transfert, dont une section a une aire (A) qui est sensiblement constante ou croit de manière sensiblement linéaire en fonction de l'abscisse curviligne (X) sur une fibre neutre (F) du conduit. 3. Système (10) de prélèvement de fluide selon la revendication 2, dans lequel la portion de transfert (22) s'étend à partir de l'orifice d'entrée (20). 4. Système (10) de prélèvement de fluide selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le conduit comporte un diffuseur (24) : qui s'étend en amont depuis une section du conduit dite section de transition jusqu'à un orifice de sortie, et dont une section a une aire (A) qui croît de manière convexe en fonction de l'abscisse curviligne (X) sur une fibre neutre du conduit, dans le sens de l'amont vers l'aval. 5. Système (10) de prélèvement de fluide selon les revendications 2 et 4, dans lequel le diffuseur (24) commence du côté amont à partir de la portion de transfert. 6. Système (10) de prélèvement de fluide selon la revendication 4 ou 5, dans le cas où le conduit d'extraction (14) présente un seul orifice de sortie, dans lequel une largeur Lt de la section de transition vérifie : 0,95 * Li Lt 5_ 1,05 *L;, où LI est la largeur de la section de l'orifice d'entrée. 3014 84 5 11 7. Système (10) de prélèvement de fluide selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans le cas où le conduit d'extraction (14) présente un seul orifice de sortie, dans lequel une aire At de la section de transition vérifie : 5 1,03 A At et/ou At 1,09 Ai, où Ai est une aire de la section de l'orifice d'entrée. 8. Système (10) de prélèvement de fluide selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel une aire A. de la section de l'orifice de 10 sortie du diffuseur vérifie : 1,1 * At 5_ A. et/ou A. 5_10 * At, où At est une aire de la section de transition. 9. Système (10) de prélèvement de fluide selon l'une quelconque des 15 revendications 4 à 8, dans lequel dans tout plan méridien, l'angle d'ouverture (n), formé entre les deux droites passant respectivement de chaque côté de la fibre neutre du conduit par les points limites externes de la section de transition et de l'orifice de sortie du diffuseur, est compris entre 25° et 90°. 20 10. Système (10) de prélèvement de fluide selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel une aire Aso de la section cumulée dudit au moins un orifice de sortie vérifie : A,. 1,1 * A et/ou As. 5_ 10 * 25 où A est une aire de la section de l'orifice d'entrée.