Brevet FR3164531A1 — publié le 20260116

L’invention concerne un banc d’essai (1) qui comprend un caisson (10) qui s’étend selon un premier axe (B) et de diamètre interne égal à un premier diamètre D1, et un arbre (20) qui s’étend selon un second axe (A) et qui est destiné à entrainer en rotation une turbomachine (90) autour du second axe (A), le diamètre de la turbomachine (90) étant égal à un second diamètre D2, le caisson (10) comprenant un secteur angulaire d’endommagement (80) autour du second axe (A) et un mécanisme d’endommagement (81) qui est destiné à endommager une aube (95) de la turbomachine (90) dans ce secteur angulaire d’endommagement (80). Le second axe (A) est et décalé parallèlement au premier axe (B) d’une distance de décalage (H) en direction opposée au secteur angulaire d’endommagement (80) par rapport au second axe (A). Figure 1 Banc d’essai de turbine à gaz La présente invention concerne un banc de test de turbine à gaz. Plus spécialement l’invention concerne un banc d’essai de turbomachine. Préalablement à la mise en service d’une turbomachine, il est nécessaire d’effectuer des essais mécaniques de cette turbomachine. Notamment, on effectue des essais de comportement de la turbomachine après ingestion de projectiles, avec éventuellement une perte d’une ou plusieurs aubes résultant de cette ingestion, avec émission de fragments d’aubes. Pour effectuer ces essais, la turbomachine est montée sur un arbre rotatif, entrainé en rotation par un moteur. La turbomachine est placée dans un caisson cylindrique, et l’axe de rotation de l’arbre est coaxial avec l’axe longitudinal du caisson. On simule l’endommagement ou la perte d’aubes à l’aide d’un mécanisme d’endommagement qui endommage une aube lorsqu’elle se situe dans un secteur angulaire qui est appelé secteur angulaire d’endommagement. Ainsi, on connait un banc d’essai de turbomachine d’axe longitudinal X, qui comprend un caisson qui s’étend selon un premier axe B et dont le diamètre interne est égal à un premier diamètre D1, et un arbre qui s’étend selon un second axe A et qui est destiné à entrainer en rotation la turbomachine autour du second axe A qui est confondu avec l’axe longitudinal X, le diamètre maximal de la turbomachine 90 étant égal à un second diamètre D2, le caisson comprenant un secteur angulaire d’endommagement autour du second axe A et un mécanisme d’endommagement qui est destiné à endommager une aube de la turbomachine dans ce secteur angulaire d’endommagement. Durant les tests de perte d’aube, on s’intéresse aux débris qui sont éjectés radialement vers l’extérieur et qui sont susceptibles de percuter et d’endommager la cellule de l’aéronef qui entoure la turbomachine. On étudie ainsi ces débris (taille) et leurs trajectoires (vitesse, cinématique). Pour cela, il est avantageux d’avoir un espace aussi grand que possible autour de la turbomachine. Ainsi, il faut que la paroi du caisson soit distante de l’extrémité radiale d’une aube d’une distance au moins égale au rayon de la turbomachine. Cette condition implique d’avoir un caisson de diamètre au moins égal au double du diamètre de la turbomachine. Cependant, les caissons de plus grande taille sont plus onéreux à fabriquer, et les phases d’essai engendrent en outre des coûts plus importants dus au volume plus important du caisson. Ce surcoût est augmenté dans les cas où il est nécessaire de créer un vide dans le caisson. En outre, cette problématique est amenée à devenir plus pertinente dans la perspective d’évolution de turbomachines vers des modèles de diamètres plus importants et avec des hélices non-carénées. Description de l’invention La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer un banc d’essai avec caisson qui permette, de manière économique, de tester des turbomachines dans les cas de pertes d’aubes, y compris des turbomachines de plus grandes tailles. Ce but est atteint grâce au fait que le second axe A est parallèle au premier axe B et décalé par rapport au premier axe B d’une distance de décalage H selon une première direction radiale qui est à l’opposé du secteur angulaire d’endommagement par rapport au second axe A. Grâce à ces dispositions, le banc d’essai est apte à tester des turbomachines dont le diamètre est supérieur à la moitié du diamètre interne du caisson. En effet, dans le secteur angulaire d’endommagement qui est la région du caisson où sera majoritairement projeté les fragments d’aube, voire et une aube, la distance entre la turbomachine et la paroi du caisson est alors augmentée (par rapport au cas où il n’y a pas de décalage du second axe A). Avantageusement, la distance de décalage H satisfait les conditions {H ≤ ½ (D1 – D2)} et {H ≥ (D2 – ½ D1)}. Ainsi, le banc d’essai est apte à tester des turbomachines dont le diamètre est jusqu’à 2/3 du diamètre interne du caisson. Ainsi, un banc d’essai avec un caisson de 8,5 mètres de diamètre (28 pieds) sera capable de tester toute turbomachine existante, et également les futures turbomachines à hélices non-carénées de 5,2 mètres de diamètre (17 pieds). Il ne sera donc pas nécessaire de construire des caissons de 10,4 mètres de diamètre (34 pieds) qui seraient beaucoup plus onéreux à concevoir, fabriquer, et opérer que des caissons de 8,5 mètres de diamètre. Par exemple, la première direction radiale est verticale vers le bas Par exemple, le premier axe B est horizontal Par exemple, l’intérieur du caisson est apte à être mis sous vide. Par exemple, le mécanisme d’endommagement est un projecteur de projectile sur la turbomachine. Par exemple, le mécanisme d’endommagement comprend un explosif situé sur une des aubes. L’invention concerne également un ensemble constitué d’un banc d’essai selon l’invention et une turbomachine. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : FIG. 1 La FIG. 1 est une vue longitudinale d’un banc d’essai selon l’invention. FIG. 2 La FIG. 2 est une vue en coupe transversale du banc d’essai de la FIG. 1 selon la ligne II-II. FIG. 3 La FIG. 3 est un dessin mathématique qui sert de support au calcul de la distance entre l’extrémité distale d’une aube et la paroi du caisson. Description détaillée de l’invention On considère un banc d’essai 1 de turbomachine 90 d’axe longitudinal X qui est l’axe de rotation de cette turbomachine. Le terme « radial » désigne une position ou une direction dans un plan transversal perpendiculaire à l’axe de rotation X. A titre d’exemple, on décrit l’invention dans le cas où la turbomachine 90 est une turbomachine avec hélices non-carénées (« Ultra Single Fan » ou USF). Cependant, l’invention s’applique à toute turbomachine, y compris avec un carénage externe. La FIG. 1 illustre un banc d’essai 1 de turbomachine en vue longitudinale. Le banc d’essai 1 comprend un caisson 10 qui s’étend selon un premier axe B. Ce caisson 10 est sensiblement cylindrique de diamètre interne égal à un premier diamètre D1. Par exemple le premier axe B est horizontal. Par souci de clarté l’intérieur du caisson 10 est représenté. Le banc d’essai 1 comprend également un arbre 20 qui s’étend selon un second axe A. La turbomachine 90 est montée sur l’arbre 20 de telle sorte que l’axe longitudinal X (axe de rotation) de la turbomachine 90 est confondu avec le second axe A, comme illustré en FIG. 1 . La turbomachine 90 est située à l’intérieur du caisson 10. Le banc d’essai 1 comprend également un moteur (non représenté) qui entraine l’arbre 20 en rotation. Le banc d’essai 1 comprend un support 30 sur lequel est fixé le stator de la turbomachine 90 et qui porte la turbomachine 90. Le support 30 est fixé sur le caisson 10 et/ou monté sur le sol. Par exemple, comme illustré en FIG. 1 , le support 30 est monté sur des piliers 31 qui reposent sur le sol. La turbomachine 90 est ainsi apte à être entrainée en rotation autour du second axe A. Le diamètre maximal de la turbomachine 90 est égal à un second diamètre D2, et correspond en l’espèce au diamètre des hélices comprenant les aubes 95. Le second diamètre D2 est strictement inférieur au premier diamètre D1 afin que la turbomachine 90 loge dans le caisson 10. Le second axe A est parallèle au premier axe B. Le caisson 10 est monté sur le sol. Par exemple, le caisson 10 repose sur des pieds 11 qui reposent sur le sol. Par exemple ces piliers 31 et/ou ces pieds 11 sont fixés dans le sol, par exemple dans une dalle de béton. Afin de simuler un essai d’ingestion dans le banc d’essai 1 lorsque la turbomachine 90 est en rotation, on endommage une aube, ou plusieurs aubes, à l’aide d’un mécanisme d’endommagement 81 qui va endommager cette aube dans un secteur angulaire d’endommagement 80 autour du second axe A. Dans un mode de réalisation de ce mécanisme d’endommagement 81, le mécanisme d’endommagement 81 est un projecteur qui lance un projectile 85 vers la turbomachine 90 selon une trajectoire (par exemple parallèle au second axe A), dans ce secteur angulaire d’endommagement 80. La collision du projectile 85 avec une aube 95 génère des débris d’aube qui sont éjectées à grande vitesse radialement extérieurement essentiellement dans le secteur angulaire d’endommagement 80. Ce mode de réalisation est illustré en FIG. 1 . Dans un autre mode de réalisation de ce mécanisme d’endommagement 81, le mécanisme d’endommagement 81 comprend un explosif 82 qui est placé sur une aube 95, par exemple à sa base (extrémité proximale). L’explosion de l’explosif 82 est déclenchée lorsque l’aube 95 est dans le secteur angulaire d’endommagement 80, ou juste avant de pénétrer dans ce secteur angulaire d’endommagement 80. Cette explosion provoque le détachement de débris d’aube ou d’une aube 95, qui sont éjectés à grande vitesse radialement extérieurement essentiellement dans le secteur angulaire d’endommagement 80. On a illustré en FIG. 1 un tel explosif 82 à la base d’une aube 95. Afin que les trajectoires de ces débris puissent être valablement étudiées, il faut que ces trajectoires soient suffisamment longues. Il faut donc que la paroi du caisson 10 soit suffisamment distante de l’extrémité distale d’une aube 95. Pour cette raison, dans les caissons selon l’art antérieur le premier diamètre D1 est au moins le double du second diamètre D2. En d’autres termes, l’extrémité distale d’une aube 95 est distante de la paroi du caisson 10 d’au moins la moitié du second diamètre D2. Les essais réalisés par les inventeurs ont montré qu’il était possible d’étudier valablement les trajectoires des débris lorsque l’extrémité distale d’une aube 95 était distante de la paroi du caisson 10 d’une distance (appelée garde) g la plus grande possible sur le secteur angulaire d’endommagement 80 seulement. La distance g est mesurée selon une direction radiale de la turbomachine 90. Ainsi, il n’est pas nécessaire que l’extrémité radiale d’une aube 95 soit distante de la paroi du caisson 10 de la distance g sur toute la circonférence de la turbomachine 90. En d’autres termes, l’extrémité distale d’une aube 95 peut être éloignée radialement (c’est-à-dire selon sa direction radiale) de la paroi du caisson 10 d’une distance inférieure à la distance g en dehors du secteur angulaire de tir 80. En conséquence, selon l’invention le second axe A est décalé selon une première direction radiale 50 par rapport au premier axe B d’une distance de décalage H non nulle. Cette première direction radiale 50 est la direction diamétralement opposée au secteur angulaire de tir 80 par rapport au second axe A. En d’autres termes, la première direction radiale 50 est à l’opposé par rapport au second axe A de la direction radiale médiane du secteur angulaire de tir 80. La direction radiale médiane d’un secteur angulaire est définie comme étant la direction du rayon qui coupe ce secteur angulaire en deux parties égales. Avantageusement et pour des raisons de coût et de facilité de réalisation, comme représenté sur les figures, le secteur angulaire de tir 80 est vertical vers le haut (avec une direction radiale médiane qui est verticale vers le haut) et la première direction radiale 50 est verticale vers le bas. Dans ce cas, le second axe A est décalé verticalement vers le bas par rapport au premier axe B. Alternativement, le second axe A est décalé dans une autre direction par rapport au premier axe B. Avantageusement, la distance de décalage H est telle que la turbomachine 90 ne touche pas la paroi du caisson 10. En conséquence, la distance de décalage H est inférieure à la différence entre le rayon interne du caisson 10 et le rayon de la turbomachine 90. Cette première condition est exprimée par l’équation (1) suivante : [Math 1] H ≤ ½ (D1 – D2) Pour une efficacité optimale des essais, comme l’ont démontré les inventeurs, il est avantageux que, selon la direction opposée à la première direction radiale 50, la distance g entre la turbomachine 90 et la paroi du caisson 10 soit supérieure au rayon ½D2 de la turbomachine 90 (la distance g est indiquée sur les figures 1 et 2). Cette seconde condition est exprimée par l’équation (2) suivante : [Math 2] g ≥ ½ D2 {½ D1 – (½ D2 – H)} ≥ ½ D2 H ≥ (D2 – ½ D1) En combinant les équations (1) et (2) en éliminant le décalage H, on obtient une condition sur le premier diamètre D1 et sur le second diamètre D2, qui est exprimée par l’équation (3) suivante : [Math 3] (D2 – ½ D1) ≤ ½ (D1 – D2) 3·D2 ≤ 2·D1 Ainsi, pour un caisson de premier diamètre D1, le diamètre maximal D2 max de turbomachine D2 qu’il est avantageusement possible de tester dans ce caisson est égal à ⅔ D1. Le décalage H max dont il est idéal de décaler une telle turbomachine de diamètre D2 max par rapport au premier axe B est calculé en remplaçant D2 par D2 max dans l’équation (1) et dans l’équation (2). On obtient ainsi H max = (D1)/6. Avantageusement, sur le secteur angulaire de tir 80 d’angle 2·θ, la distance radiale t entre l’extrémité distale d’une aube 95 et la paroi du caisson 10 est supérieure, égale, ou légèrement inférieure à la distance (garde) g. La distance radiale t entre l’extrémité distale d’une aube 95 et la paroi du caisson 10 diminue au fur et à mesure que l’on s’éloigne circonférentiellement de la direction radiale médiane du secteur angulaire de tir 80. La distance radiale entre l’extrémité distale d’une aube 95 et la paroi du caisson 10 sur le secteur angulaire de tir 80 est donc inférieure à la distance g. Cependant, la distance radiale t est seulement légèrement inférieure à la distance g pour un secteur angulaire de tir 80 d’angle faible, c’est-à-dire inférieur à π/3 (c’est-à-dire θ inférieur à π/6). Par distance légèrement inférieure à g, on signifie une distance inférieure à g de g/10 ou moins, c’est-à-dire supérieure à (0,9)·g. En effet, en référence à la FIG. 3 qui illustre géométriquement un cercle de diamètre D2 décalé à l’intérieur d’un cercle de diamètre D1 d’une distance H selon un axe de décalage, les calculs montrent que la distance radiale t entre l’extrémité distale d’une aube 95 et la paroi du caisson 10 selon une direction faisant un angle θ par rapport à l’axe de décalage (vertical sur la FIG. 3 ) est donnée par l’équation (4) dans le cas où g = ½ D2 (c’est-à-dire H = D2 – ½ D1 d’après l’équation (2)) : Par exemple, dans le cas où D2 = D2 max = ⅔ D1, l’équation (4) devient l’équation (5) : [Math 5] Pour un angle θ = π/6 (c’est-à-dire un secteur angulaire de tir 80 d’angle π/3) on obtient t = (0,91)·g. Pour un angle θ = π/8 on obtient t = (0,95)·g Avantageusement, durant un essai d’ingestion dans le banc d’essai 1, l’intérieur du caisson 10 est mis sous vide. Ainsi, la turbomachine 90 n’est pas soumise à la friction de l’air sur les aubes 95 en rotation durant cet essai. L’invention concerne également un ensemble constitué d’un banc d’essai 1 selon l’invention et une turbomachine testée dans ce banc d’essai 1. Banc d’essai (1) de turbomachine (90) d’axe longitudinal (X), qui comprend un caisson (10) qui s’étend selon un premier axe (B) et dont le diamètre interne est égal à un premier diamètre (D1), et un arbre (20) qui s’étend selon un second axe (A) qui est destiné à entraîner en rotation ladite turbomachine (90) autour dudit second axe (A) qui est confondu avec ledit axe longitudinal (X), le diamètre maximal de ladite turbomachine (90) étant égal à un second diamètre (D2), ledit caisson (10) comprenant un secteur angulaire d’endommagement (80) autour dudit second axe (A) et un mécanisme d’endommagement (81) qui est destiné à endommager une aube (95) de ladite turbomachine (90) dans ledit secteur angulaire d’endommagement (80), ledit banc d’essai (1) étant caractérisé en ce que ledit second axe (A) est parallèle audit premier axe (B) et décalé par rapport audit premier axe (B) d’une distance de décalage (H) selon une première direction radiale (50) qui est à l’opposé dudit secteur angulaire d’endommagement (80) par rapport audit second axe (A). Banc d’essai (1) de turbomachine (90) selon la revendication 1 tel que ladite distance de décalage (H) satisfait les conditions {H ≤ ½ (D1 – D2)} et {H ≥ (D2 – ½ D1)}. Banc d’essai (1) de turbomachine (90) selon la revendication 1 ou 2 tel que ladite première direction radiale (50) est verticale vers le bas. Banc d’essai (1) de turbomachine (90) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3tel que ledit premier axe (B) est horizontal. Banc d’essai (1) de turbomachine (90) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 tel que l’intérieur dudit caisson (10) est apte à être mis sous vide. Banc d’essai (1) de turbomachine (90) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 tel que ledit mécanisme d’endommagement (81) est un projecteur de projectile (85) sur ladite turbomachine (90). Banc d’essai (1) de turbomachine (90) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 tel que ledit mécanisme d’endommagement (81) comprend un explosif (82) situé sur une desdites aubes (95). Ensemble constitué d’un banc d’essai (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes et de ladite turbomachine (90).