Etape 2

Afin d’approfondir l’analyse des étages existants et de conforter les tendances observées dans la première étape de l’étude, une métrologie plus locale est envisagée. L’influence de l’ouverture stator doit être identifiée dans tous les éléments de l’étage. On veut pouvoir accéder à une connaissance plus précise de l’écoulement de part et d’autre du distributeur et en sortie de la roue.

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Figure 3-7 : Composition des vitesses dans le distributeur

Identifier la structuration de l’écoulement en entrée/sortie du distributeur nécessite d’en connaître la température et la pression totale. Les vitesses C3 et C4 (Figure 3-7) peuvent être

établies par mesure de la pression statique en amont et en aval des aubages. Les quantités Cr3

et Cr4 sont directement proportionnelles aux valeurs de la masse volumique et du débit global

(en supposant une uniformité azimutale de l’écoulement). Les angles α3 et α4 sont alors calculés, d’où l’établissement des composantes tangentielles Cθ3 et Cθ4.

Une mesure de la température, de la pression totale et des pressions statiques en amont et en aval, couplées à la valeur du débit traversant la machine suffisent à établir les conditions de fonctionnement.

Mesurer ces quantités compte tenu des dimensions requiert certaines précautions car bien évidemment la métrologie ne doit pas entraver le fonctionnement, tout en supportant les conditions difficiles de température et de vitesse de rotation. Ensuite cette métrologie doit être peu sensible aux écarts de fonctionnement et aux désadaptations de la machine, puisqu’il est prévu de balayer un champ d’utilisation relativement large. Cette contrainte concerne principalement la mesure de pression totale en amont du bord d’attaque des aubages du distributeur. L’écoulement quitte la volute avec un angle que nous ne pouvons qu’estimer, il n’est pas possible d’utiliser une sonde classique de pression totale qui n’assure pas un résultat fiable pour un décalage d’incidence supérieure à 7°. Des sondes spécifiques de type « trois trous » ont donc été développées. Le principe de fonctionnement permet, par mesure de la différence de pression entre les deux trous latéraux de la sonde, de corriger la valeur de pression totale et d’estimer l’angle d’incidence sur les sondes, la pression statique et donc la vitesse. L’encombrement de la sonde doit être suffisamment faible pour ne pas trop perturber l’écoulement, et elle doit être capable de supporter des niveaux de température élevés lors des essais à chaud. Le marché n’offrant pas ce type de sonde, une conception spécifique mise au point en collaboration avec le Centre d’Essai des Propulseurs à Saclay (CEPr) débouche sur la fabrication des instruments présentés en Figure 3-8.

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Figure 3-8 : Tête et corps des sonde 3 trous

La procédure d’étalonnage est exposée en annexe C. Elle permet de recaler les informations, et de calculer les valeurs désirées. Si la sonde autorise une plus grande souplesse vis-à-vis des désadaptations, elle doit néanmoins être placée dans une position proche de la direction d’écoulement (variation admise à +/- 25°). L’idéal consiste à aligner la sonde avec l’écoulement à chaque mesure. Cela est difficilement réalisable, puisqu’il est délicat de traiter les fuites occasionnées lors du pivot du corps de sonde, pour des températures importantes. La position doit être figée définitivement et tout écart d’incidence recalculé. Nous avons montré au chapitre 2 (paragraphe 2.3.1.) la quasi indépendance de l’angle de sortie volute vis-à-vis du niveau de débit dans l’étage. Un bon positionnement d’origine doit nous permettre d’obtenir des résultats sur toute l’étendue de mesure désirée. Cet angle est peu sensible aux conditions aérothermiques du fluide traversant la machine donc aux conditions de température de l’étage. Positionner la sonde « à froid » assure un calage pertinent de la sonde et des manipulations aisées. Lorsque la sonde est alignée avec l’écoulement froid (Figure 3-9), elle est scellée à l’aide d’un ciment réfractaire.

Cette sonde donne accès à la fois une à mesure de C3, Pi3, P3 et de α3.

C3, T3 et α3 permettent de donner une valeur du débit massique, indépendante de

l’information du débitmètre placé en amont. Ce recoupement permettra de vérifier les résultats.

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Figure 3-9 : Positionnement de la sonde trois trous

L’implantation des mesures de pression statique et de température en aval du distributeur ne présente pas la même sensibilité, et ne fait pas l’objet de traitement particulier, si ce n’est un usinage soigné et précis, pour assurer la répétabilité de l’instrumentation d’un étage à l’autre. On complète ces résultats par une mesure de l’écoulement en sortie roue. L’important caractère tourbillonnaire impose une exploration radiale de la conduite de sortie (Figure 3-

10), pour obtenir des profils de pression, et de vitesse (amplitude et déviation angulaire).

Figure 3-10 : Giration en sortie roue

Le même type de sonde trois trous est utilisée, pilotable en profondeur et en incidence pour des traversées à la dernière station de l’étage. Le triangle des vitesses des principales sections de la machine est alors accessible.

Ces mesures fines nécessitent une mise en place assez lourde, cela impose une restriction dans l’analyse des configurations de l’étape 1. L’étage de référence (étage T5) fera bien entendu l’objet de ce type de mesure, mais également les étages déclinés par variations individuelles des deux facteurs de l’étude : le Trim (à H constant, Trim 54 et Trim 72 : Etages T2 et T8) et la hauteur d’aubage (à Trim constant, H5.3 et H8.5 : Etages T4 et T6). Trois ouvertures du distributeur (-50%, 0% et 50% de variation par rapport à l’ouverture nominale) permettront de

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recouper les résultats avec l’analyse globale et d’envisager l’influence de l’ouverture stator dans un contexte plus local.

L’inhomogénéité azimutale des conditions sur le pourtour de la sortie volute a été démontrée dans la littérature (Baskharone, 1983). Nous nous proposons de réexaminer ce point compte tenu des spécificités d’un distributeur à géométrie variable. D’une part, la présence des entretoises, ou spacers nécessaire au maintien du jeu mécanique doit accentuer cette inhomogénéité (Figure 3-11), comme cela a été évoqué par Fukaya & Watanabe, 2000.

Figure 3-11 : Non homogénéité sur le pourtour du distributeur

D’autre part, il est important de vérifier si le comportement des conditions de sortie volute est modifié par la variation de l’ouverture stator, démontrant un couplage entre les deux éléments statiques de l’étage. Mesurer le pourtour complet de la sortie volute par des moyens conventionnels, tels que ceux présentés précédemment serait coûteux en nombre de sondes, mais serait surtout fortement intrusives avec des conséquences néfastes sur la représentativité des mesures. Utiliser les aubages du distributeur comme instrument de mesure est une solution beaucoup plus satisfaisante de ce point de vue. Le moment aérodynamique des aubages est fonction des conditions amont (amplitude et incidence du vecteur vitesse, voir

Figure 3-12).

Figure 3-12 : Principe de la mesure d'effort pour qualifier l'écoulement amont

Toutes les aubes ont la même incidence mécanique, et devraient, en cas d’alimentation homogène, subir le même moment aérodynamique. En mesurant ce moment sur chacune des

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aubes du pourtour, toute distorsion azimutale sera identifiée, ainsi que son comportement face à la configuration d’ouverture stator.

A ce stade de l’étude, une bonne connaissance de l’influence d’un système à géométrie variable sur le fonctionnement global de l’étage pourra être établie, ainsi qu’une approche du rôle joué par le rapport de section des machines. Cependant, de nombreux facteurs géométriques entrent en jeu dans la définition du distributeur. Pouvoir discriminer ces facteurs en identifiant leur influence reste essentiel. Nous nous proposons d’élargir l’étude en tenant compte d’un grand nombre de facteurs pour capter les effets dimensionnants dans la conception d’un distributeur à géométrie variable.