Brevet FR3159011A1 — publié le 20250808

L’invention concerne un ensemble (100) pour turbomachine d’aéronef, notamment pour un banc d’essais, comprenant une partie tournante (20) comportant : - un arbre d’entraînement (8) ; - une pluralité d’aubes tournantes (14) ; - un carénage aérodynamique tournant (12), l’ensemble comprenant en outre une partie flottante (120) montée rotative par rapport à la partie tournante (20), la partie flottante (120) comportant un support flottant (36) et une tête de mesure flottante (34) d’un dispositif (34a) de mesure d’au moins une caractéristique du flux de gaz (10a), la partie flottante (120) étant configurée de manière à présenter un centre de gravité excentré, de façon à rappeler la tête de mesure flottante (34) vers une position angulaire de référence. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 ENSEMBLE POUR TURBOMACHINE D’AERONEF, NOTAMMENT POUR UN BANC D’ESSAIS, COMPRENANT UNE PARTIE TOURNANTE SUR LAQUELLE EST MONTEE UNE PARTIE FLOTTANTE EQUIPEE D’UNE TETE DE MESURE L’invention se rapporte au domaine des turbomachines d’aéronefs, et plus précisément au domaine des bancs d’essais et de la mesure d’au moins une caractéristique d’un flux de gaz épousant un carénage de la turbomachine. L’invention trouve des applications dans tout type de turbomachine d’aéronef, comme les turboréacteurs ou les turbopropulseurs, et en particulier les turbomachines comprenant un carénage aérodynamique tournant, définissant une surface extérieure destinée à être épousée par le flux de gaz à caractériser. État de la technique antérieure En vol ou en phase de test, il s’avère utile de mesurer certaines caractéristiques d’un ou plusieurs flux de gaz d’une turbomachine d’aéronef, comme la pression et/ou la vitesse et/ou la température d’un flux d’air épousant une carénage aérodynamique de la turbomachine. Par exemple, des mesures peuvent être utiles pour caractériser la couche limite d’un flux d’air épousant un carénage aérodynamique de la turbomachine. Pour réaliser ces mesures dynamiques, une tête de mesure est généralement portée par une partie statorique de la turbomachine, comme un carter. La tête de mesure représente une pièce ayant communément la forme d’un barreau, équipée de plusieurs capteurs pour mesurer des paramètres comme la pression totale et la température. Le fait de conserver la tête statique garantit la fiabilité des mesures réalisées. Dans le cas contraire, la vitesse de la tête de mesure modifierait par exemple les mesures de pression. Une difficulté apparait lorsque la turbomachine n’offre pas de partie statorique dans l’environnement proche du flux à caractériser. Par exemple, dans le cas d’un récepteur de turbomachine à aubes tournantes non-carénées, l’absence de carter autour des aubes empêche l’installation de la tête de mesure. Ces aubes font généralement saillie radialement d’un carénage aérodynamique tournant. Ce dernier pourrait alors porter la tête de mesure, mais la fiabilité des mesures réalisées resterait trop faible, en raison du caractère tournant, donc non-statique, de la tête de mesure. Pour répondre au moins partiellement aux inconvénients mentionnés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l’art antérieur, l’invention a tout d’abord pour objet un ensemble pour turbomachine d’aéronef, notamment pour un banc d’essais, l’ensemble étant centré sur un axe central longitudinal de cet ensemble, et comprenant une partie tournante autour de cet axe central longitudinal, la partie tournante comportant : - un arbre d’entraînement ; - une pluralité d’aubes tournantes ; - un carénage aérodynamique tournant, duquel les aubes tournantes font saillie radialement vers l’extérieur, le carénage définissant une surface extérieure destinée à être épousée par un flux de gaz. Selon l’invention, l’ensemble comprend en outre une partie flottante montée rotative par rapport à la partie tournante, selon l’axe central longitudinal, la partie flottante comportant : - un support flottant comprenant une surface circonférentielle destinée à être épousée par ledit flux de gaz ; - une tête de mesure flottante d’un dispositif de mesure d’au moins une caractéristique dudit flux de gaz, la tête de mesure étant portée par le support flottant, la partie flottante étant configurée de manière à présenter un centre de gravité excentré par rapport à l’axe central longitudinal, de façon à rappeler la tête de mesure flottante vers une position angulaire de référence autour de l’axe central longitudinal, durant la rotation de la partie tournante de l’ensemble. L’invention prévoit avantageusement une partie flottante, également dite non-tournante, portant la tête de mesure qui peut ainsi rester statique, ou sensiblement statique, pendant que la partie tournante de l’ensemble exerce son mouvement de rotation. Les mesures effectuées avec la tête, demeurant statique, s’avèrent ainsi parfaitement fiables. Le principe mis en œuvre dans l’invention, assimilable à celui d’un enjoliveur non-rotatif ou flottant dans le domaine radicalement différent des roues de véhicules automobiles, offre un large choix pour la position angulaire de référence de la tête de mesure. L’invention prévoit de préférence au moins l’une quelconque des caractéristiques techniques optionnelles suivantes, mises en œuvre isolément ou en combinaison. De préférence, l’ensemble comporte un palier de roulement interposé entre l’arbre d’entraînement et le support flottant. De préférence, le carénage aérodynamique tournant présente deux tronçons espacés axialement l’un de l’autre, la partie flottante étant agencée axialement entre les deux tronçons du carénage aérodynamique tournant. De préférence, la tête de mesure se situe en amont des aubes tournantes. De préférence, les aubes tournantes sont à calage variable. De préférence, les aubes tournantes sont non-carénées. De préférence, l’ensemble comporte en outre un balancier monté rotatif sur le support flottant, de manière à limiter encore davantage le mouvement oscillatoire de la partie flottante à centre de gravité excentré. De préférence, les mesures effectuées par la tête de mesure seront transmises sans fil jusqu’au dispositif d’acquisition situé au sol, par exemple par radiotransmission. L’invention a également pour objet une turbomachine d’aéronef comprenant au moins un ensemble tel que décrit ci-dessus. De préférence, la turbomachine d’aéronef est une turbomachine pour banc d’essais, mais elle pourrait alternativement être une turbomachine destinée à être installée sur l’aéronef, en vue d’assurer sa propulsion. Enfin, l’invention a également pour objet une installation de test, comprenant une telle turbomachine d’aéronef, ainsi qu’un banc d’essais, et un appareillage permettant de générer le flux de gaz afin qu’il épouse la surface extérieure du carénage aérodynamique tournant. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. La description détaillée qui suit fait référence aux dessins annexés sur lesquels : FIG. 1 est une vue en perspective d’une turbomachine d’aéronef ; FIG. 2 est une vue schématique en coupe longitudinale d’une partie de la turbomachine représentée sur la figure précédente, sous la forme d’un mode de réalisation préféré de l’invention ; FIG. 3 est une vue en coupe prise le long de la ligne III-III de la FIG. 2 ; et FIG. 4 est une vue schématique de côté d’une installation de test de la turbomachine représentée sur les figures précédentes ; Description détaillée de modes de réalisation En référence tout d’abord à la FIG. 1 , il est représenté une turbomachine 1 d’aéronef. Il s’agit ici d’un turboréacteur dont le récepteur 3 comprend une soufflante non-carénée 4, de préférence située à l’amont de la turbomachine. Par la suite, les termes « amont » et « aval » sont donnés par rapport à une direction principale 5 d’écoulement des gaz à travers cette turbomachine, ces termes pouvant respectivement être remplacés par les termes « avant » et arrière », avec la même signification. En référence aux figures 1 et 2, la turbomachine 1 comporte, d’amont en aval, la soufflante non-carénée 4, et un générateur de gaz 6. Ce dernier est classiquement réalisé à l’aide d’un ou plusieurs compresseurs, d’une chambre de combustion, et d’une ou plusieurs turbines. Ce générateur de gaz 6 est configuré de manière à délivrer une puissance mécanique au récepteur 3, par l’intermédiaire d’un arbre d’entraînement 8 centré sur l’axe central longitudinal X de la turbomachine. Dans une configuration à couplage direct, cet arbre 8 peut être un arbre du générateur de gaz 6, ou bien dans une configuration à couplage indirect, il peut s’agir d’un arbre de sortie d’un réducteur (non représenté), entraîné par le générateur de gaz 6. En fonctionnement, un flux d’air total 10a épouse la partie avant d’un carénage aérodynamique tournant 12 du récepteur 3, avant de traverser des aubes tournantes 14 formant la soufflante 4. Il s’agit d’une rangée annulaire d’aubes tournantes de soufflante 14, faisant chacune saillie radialement vers l’extérieur d’une surface extérieure 13 du carénage tournant 12, cette surface 13 étant destinée à être épousée par le flux d’air total 10a. Dans le mode de réalisation préféré qui est décrit, les aubes 14 sont à calage variable, c’est-à-dire qu’une partie tournante 20 de la turbomachine inclut non seulement l’arbre d’entraînement 8, le carénage tournant 12, et les aubes de soufflante 14, mais également des dispositifs 22 de commande de calage des aubes 14 en incidence. En outre, la partie tournante 20 comprend des bras 24 ou autres éléments de jonction mécanique, permettant de coupler en rotation l’arbre 8 avec les autres éléments de la partie tournante, en particulier les aubes de soufflante 14 et le carénage 12. Après avoir traversé les aubes non-carénées 14, le flux total 10a continue de se propager vers l’aval, avant de rencontrer une bec de séparation de flux 26. Le flux total se divise alors en un flux d’air primaire 10b pénétrant dans une veine primaire 28b, et en un flux d’air secondaire 10c pénétrant dans une veine secondaire 28c. Celle-ci n’est pas carénée radialement vers l’extérieur, mais délimitée fictivement par les extrémités d’aubages directeurs de sortie 30 non carénés, également dénommés OGV (de l’anglais « Outlet Guide Vanes » ). Il est noté que le carénage tournant 12 s’étend vers l’aval, au-delà des aubes de soufflante 14, jusqu’à proximité de l’entrée de la veine primaire 28b. Par conséquent, l’espace disponible au niveau de la partie statorique 32 de la turbomachine, en amont de la veine primaire 28b, peut s’avérer inexistante ou trop étroite pour pouvoir permettre l’implantation d’une tête de mesure visant à caractériser le flux d’air total. En outre, habituellement, toute la partie avant du récepteur en amont des aubes 14, formée par le carénage 12, est également tournante, de sorte qu’une telle implantation n’est pas recommandée pour une tête de mesure censée rester statique. L’invention apporte une solution permettant l’implantation d’une tête de mesure flottante 34, capable de mesurer des caractéristiques du flux d’air total 10a, en amont des aubes de soufflante non-carénées 14. Plus précisément, la tête de mesure 34 permet de mesurer la pression et la température du flux d’air total 10a, en particulier en couche limite. Pour ce faire, l’invention porte sur un ensemble 100 centré sur l’axe X, comprenant la partie tournante 20, ainsi qu’une partie flottante 120 spécifique à la présente invention, et intégrant la tête de mesure 34. La partie flottante 120, également dite partie non-rotative, fonctionne comme un enjoliveur non-rotatif d’une roue de véhicule automobile, ce type d’enjoliveur étant également dit flottant. En effet, la partie flottante 120 comporte un support flottant 36, de forme générale annulaire centrée sur l’axe X. La périphérie interne de ce support 36 est porté par un palier de roulement 38, interposé entre ce support 36 et une extrémité amont 8a de l’arbre 8, qui peut être réalisé par plusieurs sections d’arbres, montées les unes sur les autres. Grâce à ce palier de roulement 38, la partie flottante 120 est montée rotative par rapport à la partie tournante 20, selon l’axe X. Cela permet en effet l’obtention d’un mouvement relatif en rotation entre les deux parties 20, 120, mis à profit de sorte que la partie flottante 120 reste statique ou sensiblement statique, pendant que la partie 20 tourne autour de l’axe X durant le fonctionnement de la turbomachine. C’est la raison pour laquelle la partie flottante 120 est également dénommée partie non-rotative. Elle comprend, au niveau de sa périphérie externe, une surface circonférentielle 40 destinée à être épousée par le flux total d’air 10a, et se trouve dans la continuité aérodynamique de la surface extérieure 13 du carénage tournant. La tête de mesure 34 est portée par le support flottant 36, en étant en saillie radialement vers l’extérieur à partir de la surface circonférentielle 40. Cette tête 34 fait partie intégrante d’un dispositif de mesure 34a, dont d’autres éléments peuvent être intégrés au support 36, mais de préférence agencés plus vers l’intérieur de manière à ne pas faire saillie dans le flux 10a. A cet égard, il est noté que le dispositif de mesure 34a peut communiquer les données mesurées par la tête 34 à un système de télémesure tournante 42, par exemple intégré sur ou à proximité des bras 24. Dans le mode de réalisation préféré qui est décrit, le carénage aérodynamique tournant 12 présente deux tronçons 12a, 12b espacés axialement l’un de l’autre. Le tronçon 12a se situe le plus en amont, intégrant le nez de la partie tournante 20, tandis que le tronçon aval 12b est celui à partir duquel les aubes de soufflante 14 font saillie. D’autres bras radiaux 124 peuvent relier l’arbre 8 au tronçon amont 12a, ces bras 124 étant agencés en amont du palier 38, alors que les bras 24 sont agencés en aval de ce même palier, afin de porter le tronçon aval 12b ainsi que les dispositifs de commande de calage 22. Entre eux, les deux tronçons 12a, 12b définissent un espace axial libre, dans lequel est agencée la partie flottante 120, comme cela est le mieux visible sur la FIG. 2 . De part et d’autre de cette partie flottante 120, les jonctions sont préférentiellement affleurantes entre la surface circonférentielle 40 du support flottant 36, et la surface extérieure 13 des deux tronçons 12a, 12b. La partie flottante 120 est configurée de manière à présenter un centre de gravité excentré par rapport à l’axe X, par exemple en présentant une hétérogéniste de masse selon la direction circonférentielle. Cette hétérogénéité peut par exemple être obtenue en faisant varier localement l’épaisseur du support, dans les directions radiale et/ou axiale. Le centre de gravité de la partie flottante 120 est déterminé de sorte qu’à l’arrêt de la turbomachine, par gravité, le support 36 amène la tête de mesure 34 à occuper une position angulaire de référence autour de l’axe X. En effet, à l’arrêt, la partie flottante 120 se place automatiquement par gravité dans une position dite verticale, dans laquelle le centre de gravité est aligné verticalement avec l’axe X, selon la direction radiale. En outre, comme cela sera décrit ci-après, cette excentricité du centre de gravité permet d’obtenir l’effet d’enjoliveur flottant pendant le fonctionnement de la turbomachine, de sorte que la tête de mesure 34 se voit en permanence rappelée vers sa position angulaire de référence, malgré la rotation de la partie tournante 20. Sur la FIG. 3 , il a été représenté le fait que la position angulaire de référence de la tête 34 ne correspond pas nécessairement à une position horaire à 12h. Cette position peut être variée, et adoptée en fonction des besoins et contraintes rencontrés, par exemple en cherchant à diminuer la prise au vent de la tête 34. Sur l’exemple de cette FIG. 3 , la position angulaire de référence correspond à une position horaire à 10h, mais elle pourrait bien entendu être différente, comme à 3h, 6h, etc. A cet égard, il est noté que ces positions horaires sont données en considérant la turbomachine avec une orientation normale, c’est-à-dire son orientation telle qu’observée lorsqu’elle est assemblée sur l’aéronef posé au sol. Pour renforcer l’aspect non-rotatif de la partie flottante 120 en fonctionnement, l’ensemble 100 comporte en outre un balancier 44, ou pendule. Il est monté rotatif sur le support flottant 36. Plus précisément, le balancier 44 comprend une bague 46 montée avec un faible jeu radial 48 autour d’une bague 50 du support flottant 36, cette bague 50 étant préférentiellement celle portée intérieurement par le palier de roulement 38. La bague 46 du balancier 44 porte une masse excentrée 52, qui conditionne également, du fait de la gravité, une position verticale de repos de ce balancier, montrée sur la FIG. 3 . Au repos, en raison du faible jeu de montage entre les deux bagues 46, 50, la partie supérieure de la bague 46 est en appui sur la partie supérieure de la bague 50. L’axe X’ de la bague 46 se trouve ainsi très légèrement décalé vers le bas de l’axe X de la bague 50, d’où la présence du faible jeu radial 48 en partie inférieure des deux bagues 46, 50. Ce jeu 48 reste néanmoins suffisant pour autoriser la rotation relative entre les deux bagues 46, 50, garant du principe de compensation de mouvement décrit ci-après. Aussi, lorsque la partie tournante 20 ne tourne pas, à savoir lorsque la turbomachine est à l’arrêt, la partie flottante 120 adopte sa position angulaire de référence, dictée par la position de son centre de gravité. Durant le fonctionnement de la turbomachine, conduisant la partie tournante 20 à tourner autour de l’axe X, la partie flottante 120 peut avoir tendance à subir un mouvement d’oscillation autour de la position angulaire de référence de la tête de mesure 34. C’est l’excentricité de son centre de gravité qui rappelle en permanence la tête 34 vers cette position angulaire de référence, permettant à cette tête de conserver une position angulaire sensiblement constante, pour une mesure performante et fiable sur le flux d’air 10a, en amont des aubes de soufflante 14. La présence du balancier 44, monté rotatif sur le support flottant 36, permet de réduire encore davantage le mouvement parasite de la tête de mesure 34, selon un principe connu décrit dans le document WO 2000 020231 A1. En effet, il est tout d’abord indiqué qu’en raison des distances d’excentricité différentes pour le centre de gravité C1 de la partie flottante 120, et le centre de gravité C2 du balancier 44 moins éloigné de l’axe X, ces deux éléments ont tendance à vouloir osciller selon des périodes d’oscillation distinctes, toujours autour de leurs positions angulaires de référence montrées sur la FIG. 3 . Dans un premier temps, du fait de la force de friction s’exerçant entre ces deux éléments au niveau de leurs bagues respectives 46, 50 en contact, aucun mouvement relatif n’est observé entre eux, et la tête de mesure 34 s’en trouve avantageusement stabilisée dans ou proche de sa position angulaire de référence. De plus, lorsque la force de friction n’est plus suffisante et que les deux éléments 120, 44 oscillent, ils peuvent alors être amenés à présenter des sens de rotation opposés lors de ces mouvements d’oscillation. Lorsque cela se produit, la force de friction entre les deux éléments 120, 44 fait que chacun d’eux s’oppose au mouvement de l’autre. Les amplitudes d’oscillation s’en trouvent alors avantageusement réduites. En diminuant de la sorte les déplacements non-désirés de la tête de mesure 34, celle-ci reste non-rotative malgré la rotation à grande vitesse de la partie tournante 20 de la turbomachine. Les mesures dynamiques effectuées de cette manière sur le flux 10a, avec la tête 34 statique ou sensiblement statique, sont encore plus fiables et davantage performantes. Enfin, il est observé que si le principe de l’invention peut être mis en œuvre sur une turbomachine destinée à être installée sur un aéronef, en vue d’assurer sa propulsion, l’application privilégiée de l’invention réside néanmoins dans une turbomachine pour banc d’essais. A cet égard, la FIG. 4 représente schématiquement une installation de test 200, par exemple destinée à des essais et/ou à la certification de la turbomachine. L’installation comporte alors la turbomachine 1, ainsi qu’un banc d’essais 150, et un appareillage 152 permettant de générer le flux d’air total 10a, afin qu’il épouse la surface extérieure 13 du carénage aérodynamique tournant 12. L’appareillage 12 peut être une soufflerie conventionnelle. Diverses modifications peuvent être apportées par l’homme du métier à l’invention qui vient d’être décrite, uniquement à titre d’exemples non limitatifs, et dont la portée est définie par les revendications annexées. En particulier, d’autres types de turbomachines peuvent être envisagés, de préférence avec un récepteur non-caréné, entrainé directement ou indirectement par le générateur de gaz, par exemple de conception à double corps et/ou à double flux. En outre, d’autres solutions que celle du balancier 44 peuvent être mises en œuvre pour contribuer à la stabilisation de la partie flottante 120, comme des solutions magnétiques, ou autres solutions connues dans le domaine des enjoliveurs flottants pour des roues de véhicules automobiles. Ensemble (100) pour turbomachine d’aéronef, notamment pour un banc d’essais, l’ensemble étant centré sur un axe central longitudinal (X) de cet ensemble, et comprenant une partie tournante (20) autour de cet axe central longitudinal (X), la partie tournante comportant : - un arbre d’entraînement (8) ; - une pluralité d’aubes tournantes (14) ; - un carénage aérodynamique tournant (12), duquel les aubes tournantes (14) font saillie radialement vers l’extérieur, le carénage définissant une surface extérieure (13) destinée à être épousée par un flux de gaz (10a), caractérisé en ce que l’ensemble comprend en outre une partie flottante (120) montée rotative par rapport à la partie tournante (20), selon l’axe central longitudinal (X), la partie flottante (120) comportant : - un support flottant (36) comprenant une surface circonférentielle (40) destinée à être épousée par ledit flux de gaz (10a) ; - une tête de mesure flottante (34) d’un dispositif (34a) de mesure d’au moins une caractéristique dudit flux de gaz (10a), la tête de mesure étant portée par le support flottant (36), la partie flottante (120) étant configurée de manière à présenter un centre de gravité excentré par rapport à l’axe central longitudinal (X), de façon à rappeler la tête de mesure flottante (34) vers une position angulaire de référence autour de l’axe central longitudinal (X), durant la rotation de la partie tournante (20) de l’ensemble. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte un palier de roulement (38) interposé entre l’arbre d’entraînement (8) et le support flottant (36). Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le carénage aérodynamique tournant (12) présente deux tronçons (12a, 12b) espacés axialement l’un de l’autre, la partie flottante (120) étant agencée axialement entre les deux tronçons (12a, 12b) du carénage aérodynamique tournant. Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête de mesure (34) se situe en amont des aubes tournantes (14). Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les aubes tournantes (14) sont à calage variable. Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les aubes tournantes (14) sont non-carénées. Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un balancier (44) monté rotatif sur le support flottant (36). Turbomachine (1) d’aéronef comprenant au moins un ensemble (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes. 9. Installation de test (200), comprenant une turbomachine d’aéronef (1) selon la revendication précédente, ainsi qu’un banc d’essais (150), et un appareillage (152) permettant de générer le flux de gaz (10a) afin qu’il épouse la surface extérieure (13) du carénage aérodynamique tournant (12).