Brevet FR2120103A1 — publié le 19720811

L'invention est relative à un appareil pour détecter les conditions de fonctionnement de machines rotatives en captant des signaux, en particulier des signaux de vibration, de transducteurs montés directement sur le rotor de la machine. Dans n'importe quelle machine, il y a certains indices, comme les vibrations, la température, la pression et autres caractéristiques semblables qui sont, en fait, la "signature" de l'installation pendant son fonctionnement normal. Toute déviation de la "signature" révèle un dérangement dans l'installation, et que le fonctionnement de la machine doit être soit modifié, soit arreté. Dans une turbine à vapeur ou à gaz par exemple, il est fortement souhaitable de con tramer les conditions de fonctionnement du rotor et des aubes de turbine fixées sur celui-ci et, en particulier, de contrôler les vibrations induites dans le rotor. Des vibrations excessives peuvent se traduire, si on les laisse continuer à se manifester, par des déteriorations et meme par la destruction de la machine. Dans le passé, on a monté des dispositifs de captation de vibrations sur le stator des turbines, sur leurs paliers, ou sur des sondes fixes qui viennent en contact avec le rotor pour détecter les vibrations produites par ce dernier. Toutefois, la difficulté avec cette technique est qu'il y a une perte de transmission des signaux dynamiques à travers le rotor, les paliers, les films d'huile et les parties fixes. De ce fait, il est souhaitable de monter un dispositif de captation de vibrations directement sur le rotor lui-même. Ce dispositif peut, par exemple, etre un accéléromètre. Ce montage présente toutefois des dif ficultés pour le raccordement du dispositif au circuit extérieur. Des bagues frottantes se sont révélées inadéquates à cet usage à cause des perturbations. Si des conditions autres que les caractéristiques de vibration doivent être détectées, par exemple des sol=.itation mécaniques, des températures et autres caractéristiques, le même problème se pose pour raccorder les dispositifs de captation au circuit extérieur. Le but principal de la présente invention est de prévoir un dispositif tournant sur le rotor d'une machine rotative avec un système de transmission des signaux qui n'est pas sujet à des perturbations. A cet effet, la présente invention réside dans un appareil pour détecter les conditions de fonctionnement d'une machine rotative du type comprenant un rotor et une carcasse de stator, le dit rotor étant muni d'un dispositif de d6- tection pour fournir un signal électrique caractéristique d'une condition de fonctionnement du dit rotor, caractérisé en ce qu'un émetteur est monté sur le dit rotor et est raccordé au dit dispositif de détection pour engendrer un signal porteur modulé par le dit signal caractéristique et en ce qu'un récepteur fixe est disposé près du dit rotor pour détecter le dit signal porteur et pour le démoduler afin de retrouver le dit signal caractéristique. Dans une turbine, par exemple, l'émetteur est de préférence mais pas nécessairement, monté sur la bague d'équilibrage du rotor en étant disposé à l'intérieur d'une broche creuse vissée dans une ouverture pratiquée dans la bague d'é- quilibrage qui est normalement pourvue d'un poids d'équilibrage. Un capteur de vibrations peut être monté dans une broche tandis que d'autres détecteurs peuvent etre connectés à ltémetteur par des conducteurs (comme par exemple des jauges de contrainte montées sur les aubes de la turbine, des thermocouples dispo sé pour mesurer la température de l'arbre ...). Une antenne se présentant, de préférence, sous la forme d'une bague annulaire est montée au voisinage de ltémetteur monts sur le rotor et est installée à l'intérieur de la carcasse de la machine. Cette antenne capte le signal transmis et le dirige vers un détecteur ou démodulateur où le dit signal caractéristique est extrait du signal à radiofréquence. Ce signal caractéristique peut etre utilisé pour indiquer les conditions de fonctionnement de la turbine ou d' une autre pièce de ltéquipement et/ou être utilisé pour commander effectivement la turbine. Dans le cas d'un signal de vibration, par exemple, celui-ci peut etre appli qu6 à un détecteur d'amplitude d'une manière telle que si l'amplitude du signal de vibration dépasse une limite prédéterminée, le système de commande de la turbine sera actionné pour faire jarreter celui-ci. De plus, le signal de vibrations peut etre appliqué à un analyseur de temps réel, ou appareil semblable, pour de- terminer les composantes en fréquence du signal de vibrations et le fonctionnement de la turbine est modifié si, par exemple, elle doit fonctionner à une certaine vitesse critique. Un système est prévu pour alimenter un émetteur et/ou des transducteurs montés sur le rotor d'une machine rotative en utilisant de préférence un couplage inductif entre un enroulement ou autre moyen de transfert d'énergie, monté sur le rotor, et un capteur correspondant monté à l'intérieur de la carcasse une turbine ou machine similaire. Dans le cas d'un montage inductif, lorsqu'un courant alternatif est induit dans l'enroulement disposé à l'intérieur de la carcasse de la turbine,' il engendre des lignes de flux qui sont coupées par 1' enroulement disposé sur le rotor, fournissant de ce fait une source de courant pour alimenter ltémetteur et les transducteurs sans nécessiter de piles fixées sur le rotor.Dans la réalisation pr6férée de l'invention décrite ici, le dit enroulement fixe est disposé dans un conduit circulaire électriquement conducteur, non magnétique, qui joue également le rôle d'antenne de réception pour les signaux transmis par l'émetteur fixé sur le rotor, de manière que l'enroulement d'alimentation et l'antenne puissent être combinés en un assemblage circulaire compact. L'invention sera mieux comprise en se réfrant à la description qui va suivre et aux dessins annexés, relatifs a une réalisation préférée de l'invention donnée à titre d'exemple. Sur ces dessins: - La figure 1 est une vue en perspective d'un rotor de turbine à vapeur et d' une portion de son couvercle cylindrique montrant comment la source d'alimenta4 tion, ltémetteur et l'antenne d'émission sont montés sur le rotor, ainsi que la manière suivant laquelle l'enroulement inductif d'alimentation et l'antenne de réception sont montés sur le couvercle cylindrique fixe. - La figure 2 est une vue de profil d'une bague d'équilibrage pour le rotor de la turbine de la figure 1, montrant comment la source d'alimentation, I'émet- teur et l'antenne d'émission sont montés sur la dite bague d'équilibrage. - La figure 3 est une coupe pratiquée le long de la ligne III-III de la figure 1, montrant la position relative de la source d'alimentation montée sur la bague d'équilibrage de la turbine par rapport à un enroulement circulaire inductif monté sur le couvercle cylindrique. - La figure 4 est une coupe pratiquée le long de la ligne IV-IV de la figure 1, montrant la position relative d'un appareillage multiplexeur et émetteur monté sur le rotor par rapport à une antenne circulaire montée sur le couvercle cy llndrique de la turbine. - La figure 5 est un schéma illustrant l'installation d'ensemble de commande électrique de l'invention et - La figure 6 représente, sous forme schématique, une façon suivant laquelle des signaux de vibrations captés au rotor d'une turbine à vapeur, ou machine semblable, peuvent être traités et utilisés pour commander le fonctionnement de la turbine. On peut voir sur les dessins et, en particulier, aux figures 1 et 2, une partie du rotor 10 d'une turbine à vapeur à circulation axiale sur lequel sont fixées des aubes radiales 12 dont trois seulement sont représentées à la figure 1. Le rotor 10 est monté sur un arbre principal 14 et est pourvu d'une bague d' équilibrage 16 concentrique au rotor 10 et à l'arbre principal 14. Comme indiqué plus clairement à la figure 2, la bague d'équilibrage 16 est pourvue d'une rangée circonférentielle d'ouvertures taraudées 18 dans lesquelles viennent se visser des broches d'équilibrage 20. Les broches 20 sont déåà introduites dans la bague d'équilibrage lors de l'équilibrage du rotor, habituellement effectué par un procédé électronique. Si le rotor est déséquilibré, une ou plusieurs broches 20 peuvent etre retirees et remplacées par d'autres de poids différents jusqu'à ce que le rotor soit parfaitement équilibré. En avant de la bague d'équilibrage 16 se trouve un couvercle cylindrique 22 dont une portion est représentée à la figure 1. Le couvercle cylindrique fait partie de la carcasse statorique extérieure de la turbine copie expliqué ci-après. Suivant la présente invention, deux des broches normales d"6quilibrage 20 sont remplacées par des broches creuses 24 et 26 qui contiennent le circuit é- lectronique destiné à ltémission d'un signal à radiofréquence qui est modulé par des signaux, tels que des signaux de vibration , indicatifs d'une caractéristique du rotor 10. Les signaux à radiofréquence émis sont captés par un ensemble 28 constitué d'une antenne et d'un enroulement d'induction. L'ensemble 28 est fixé sur une paroi verticale 30 du couvercle cylindrique 22 au moyen d'entretoises isolantes 32.En plus de servir à capter les signaux à radiofréquence engendrés par les circuits électroniques disposés à l'intérieur d'une ou de deux broches 24 et 26, l'antenne fixe de l'ensemble 28 sert également d'enveloppe pour l'enroulement électrique qui engendre un champ magnétique circulaire, lequel est capté par une bobine à induction disposée dans l'une des broches 24 ou 26 pour alimenter le circuit électronique qu'elle contient. Cet enroulement est raccordé à une source de courant alternatif 34 dont la fréquence se situe entre 100 et 200 kHz. L'antenne elle-même est raccordée à un récepteur ou détecteur 36, qui dans la réalisation de l'invention faisant l'objet de la présente description, est un récepteur à modulation de fréquence du fait qu'on a recours aux techniques de modulation de fréquence. La figure 3 représente les détails de la broche 24. Celle-ci est vissée dans un trou 18 pratiqué dans la bague d'équilibrage 16 et est évidée de manière à former une cavité 38. La face avant de la broche 24 est pourvue d'une embase 40 dont le diamètre extérieur est sensiblement plus grand que celui de la broche. Un rebord circulaire 42 forme une cavité 44 à l'avant de l'embase 40. Une plaque 46 en acier portant sur sa face avant un bouchon 48 en résine epoxy, ou en tout autre matériau isolant convenable, est disposée au fond de la cavité 44. Un noyau 50 en forme de C, autour duquel se trouve une bobine d'induction 52, est noyé dans le bouchon 48. La bobine 52 est raccordée à un ensemble de circuits 6lec- troniques 56 noyé dans un matériau epoxy 54 disposé dans la cavité 38. Dans la réalisation envisagée ici, l'ensemble 56 de circuits électroniques se trouvant dans la cavité 38 comprend un montage redresseur et régulateur de tension. Juste en face du noyau 50 en forme de C, noyé dans le bouchon 48, se trouve l'ensemble 28, qui comme indiqué ci-dessus, est écarté de la paroi 30 du couvercle cylindrique 22 par les entretoises 32 en isolant électrique. Des boulons de de fixation 58 à tête ronde traversent les entretoises 32 et la paroi 30. Les têtes 60 des boulons 58 sont séparées de l'ensemble 28 par des rondelles isolantes 62 de manière que les dits boulons de fixation 58 et le couvercle cylindrique soient complètement isolés de l'ensemble 28. L'ensemble 28 comprend un canal circulaire en forme de U ayant des parois latérales verticales 64 et 66 reliées entrtelles par une paroi intérieure horizontale 68. Un enroulement d'induction 70, qui, connne indiqué à la figure 1, est raccordé à une source d'alimentation 34 se trouve contre la paroi 68 du canal en U. Grâce à cet agencement et, en supposant que la source d'alimentation soit raccordée à l'enroulement 70, une circulation de courant s'établira dans l'enroulement en engendrant un champ magnétique suivant le trajet des flèches 72 représentées à la figure 3. Les parois 64, 66 et 68 du canal en U sont réalisées en aluminium ou en tout autre matériau perméable non magnétique de façon que les lignes de flux puissent les traverser.Les lignes de flux du champ magnétique entourant l'enroulement 70 atteignent le noyau 50 se trouvant dans le bouchon 48 en epoxy. De ce fait, lorsque le rotor 10 tourne, le noyau 50 coupe les lignes de flux, engendrant ainsi un courant dans la bobine 52 qui est redressé dans 1' ensemble de circuits 56 pour fournir une source d'énergie électrique au dit ensemble 56 se trouvant dans la broche creuse 26. Un manchon isolant 72 est enfoncé dans un trou pratiqué dans la face laté rale extérieure du rebord 42 de la cavité 44. Le manchon isolant 72 entoure une des extrémités d'une antenne tubulaire 74 qui, comme montré à la figure 2, a une configuration en forme de chaînette afin de réduire les effets de la force centrifuge agissant sur la dite antenne. L'autre extrémité de l'antenne 74 est fixée dans un manchon isolant 72' (figure 4) enfoncé dans un trou pratiqué dans la face latérale extérieure du rebord 42' de la broche creuse 26. Comme indiqué à la figure 4, la configuration de la broche creuse 26 est identique à celle de la broche 24 et, par conséquent, les éléments de la figure 4 qui correspondent à ceux de la figure 3 portent les mêmes références mais sont marquées d'un accent-,- flans le cas de la broche 26, un capteur de vibrations, de préférence un accéléromètre 76, tel qu'un cristal pié- zoélectrique, est vissé dans le fond de la cavité 38'. Le capteur 76 est raccordé à un ensemble de circuits ?C réalisant un montage multiplexeur et émetteur décrit en détail ci-après.Le capteur 76 et l'ensemble de circuits 78 sont, de préférence, noyés dans un bloc de résine epoxy-80 disposé dans la cavité 38' et maintenu en face par un bouchon métallique circulaire 82 enfoncé dans la cavité 4h' formée par le rebord 42' de l'embase 40'. A la figure 3, on peut voir que les conducteurs d'alimentation 84 passent du montage redresseur et régulateur de tension de l'ensemble 56 vers l'intérieur creux de l'antenne 74 par des ouvertures pratiquées dans la paroi de la broche 24. Ces conducteurs passent à travers l'antenne 74 et sont raccordés de l'autre côté de cette morne antenne à l'ensemble 78 (figure 4). Outre le capteur 76, d' autres détecteurs, comme par exemple la jauge de contrainte 86, placée sur les aubes de turbine 12 (Figure 1) peuvent être raccordés au montage multiplexeur et émetteur de l'ensemble 78 par des conducteurs 88 passant par des ouvertures pratiquées dans la paroi de la broche creuse 26 (figure 4). Le montage multiplexeur et émetteur de l'ensemble 78 est également raccordé à un point de l'antenne 74 au moyen de conducteurs adéquats non représentés. Le fonctionnement du dispositif suivant l'invention peut être mieux compris en se référant à la figure 5. La source de tension 34, dont la fréquence est comprise entre 100 et 200 kHz, est raccorde à l'enroulement 70 disposé dans le canal en U de l'ensemble 28 représenté aux figures 3 et 4. Le champ magnétique résultant engendré par l'enroulement 70 est coupé par le noyau 50 en forme de C, induisant de ce fait des courants dans la bobine 52 qui sont redressés par le redresseur 90 situé dans l'ensemble 56 de circuits électroniques logé dans la broche 24. La tension redresse est ensuite appliquée à l'ensemble 78 se trouvant dans la broche 26, en passant par un régulateur de tension 92 et des conducteurs 8'4 traversant l'antenne 74. Cet ensemble de circuits 78 comprend un multiplexeur 94 raccordé au capteur de vibrations 76, à la jauge de contrainte 86 ainsi que tout autre détecteur comme des détecteurs de température et de pression, placEs sur le rotor et raccordés au multiplexeur par des conducteurs 96. Diverses techniques de multiplexage peuvent être utilisées suivant la présente invention, cependant, la technique de multiplexage à division dans le temps semble etre la plus appropriée. Dans certains cas, toutefois, la technique de multiplexage à division de fréquen- ce peut être utilisée avec tout autant de succès. Dans le multiplexage à division dans le temps, les divers signaux de condition venant, par exemple, du capteur de vibrations 76 et de la jauge de contrainte 86, sont découpés en compo- santes discrètes et ces composantes sont transmises successivement par un émetteur 98 à modulation de fréquence. D'autre part, lorsqu'on utilise un multiple xage à division de fréquence, des signaux sous-porteurs sont modulés par les signaux issus des divers détecteurs, puis transmis par ltémetteur 98 à modulation de fréquence.La sortie de ltémetteur 98 est raccordée à l'antenne 74 qui rayonne des signaux qui sont captés par le canal en U de l'ensemble 28 formant une antenne de réception. Ces signaux reçus sont ensuite appliqués à un récepteur à modulation de fréquence 100 où les signaux sont démodules puis appliqués à un multiplexeur 102 où les signaux respectifs des divers transducteurs sont restitués. Il est bien entendu que, dans le cas où un seul signal venant du transducteur unique, par exemple d'un capteur de vibrations, est transmis, l'équipement de multiplexage peut être éliminé du récepteur comme de ltémetteur. Les signaux restitues à la sortie du multiplexeur 102, tel que délivrés par les divers transducteurs de détection placés sur le rotor, sont alors appliqués à un circuit 104 de commande qui est utilisé pour commander l'admission de vapeur à l'unité à haute pression d'une turbine à vapeur 106. C'est-à-dire que la sortie du circuit 104 de commande, commande la soupape 108 qui règle l'admission de vapeur à la turbine. Dans la majorité des cas, le circuit de commande de la turbine agit pour fermer la soupape 108 et arrêter la turbine chaque fois qu'un des signaux dépasse une limite déterminée, indiquant qu'une condition anormale s'est instaurée et que, si la turbine continue à fonctionner, il pourrait en résulter des dégâts. Par exemple si l'amplitude du signal de vibration devient excessif, la circuit de commande 104 ferme la soupape 108 pour faire arrêter la turbine.Cette augmentation d'amplitude peut être l'indice d'une aube de turbine détachée, d'un roulement défectueux ou d'un incident semblable. Une manoeuvre similaire aurait lieu si, par exemple, la température détectée par un thermocouple placé sur l'arbre principal de la turbine devenait excessive. Dans d'autres cas, une condition anormale pourrait servir à mettre en action le circuit de commande 104 pour faire changer le fonctionnement de la turbine. Par exemple, des transducteurs ultrasoniques peuvent être montés sur le rotor et, par la comparaison des signaux reçus des transducteurs, on peut identifier et localiser une fêlure dans le rotor.Il est bien entendu que, dans le cas d'une turbine à combustion interne, le dispositif de commande de la turbine règlera 1' admission de combustible à la chambre à combustion plutôt que l'admission de vapeur à une turbine à vapeur comme dans la réalisation illustrée. Un type particulier de commande relatif à un signal de vibration est représenté à la figure 6. Le signal de vibration venant du multiplexeur 102 par le conducteur 110 est applique à un détecteur d'amplitude 112. Si l'amplitude des vibrations dépasse une limite déterminée, le circuit de commande 104 est mis en action pour fermer la soupape 108 et arrêter la turbine 106. Simultanément, les signaux de vibration peuvent être appliqués à un analyseur de spectre à temps réel qui fournira, à sa sortie, une-frmed'onde caractéristique 115 où 1' axe des x représente la fréquence et l'axe des y représente l'amplitude. Cette forme d'onde donne les composantes de fréquence des signaux de vibration ainsi que les amplitudes de ces composantes de fréquence particulières.A ce sujet, il faut noter que tout signal de vibration venant d'une pièce tournante de la machine est constitué de plusieurs fréquences différentes engendrées par diverses parties vibrantes. De plus, une composante de grande amplitude d'une fréquence particulière peut, par exemple, révéler une vibration excessive d;une aube de la turbine, alors qu'une autre composante de fréquence à grande amplitude peut indiquer qu'un roulement est défectueux. Le signal caractéristique à la sortie de l'analyseur de spectre 114 à temps réel est donc appliqué à un ordinateur 116 où il est comparé avec une information emmagasinée dans une banque à mémoire 118. Si la comparaison de la forme d'onde à la sortie de l'analyseur de spectre 114 avec celle emmagasinée dans la bague 118 indique une condition anormale, l'ordinateur agira sur le circuit de commande 104 pour faire changer le fonctionnement de la turbine ou pour éventuellement l'arrêter. Bien que l'invention ait été décrite dans une forme de réalisation particu lière, il est évident pour un spécialiste que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre de l'invention. A ce sujet, il faut noter qu'au lieu d'utiliser deux broches creuses, il est possible, dans certains cas, d'incorporer la source de tension et le montage émetteur dans une seule broche. De plus, le capteur 76 ne doit pas nécessairement être placé dans une broche creuse mais peut être situé à l'extérieur de celle-ci, ainsi que d'autres transducteurs montés sur le rotor. REVENDICATIONS. 1. Appareil de détection des conditions de fonctionnement d'une machine rotative du type comprenant un rotor et une carcasse de stator, le dit rotor étant muni d'un dispositif de détection pour fournir un signal électrique caractéristique d'une condition de fonctionnement du dit rotor, caractérisé en ce qu'un émetteur est monté sur le dit rotor et est raccordé au dit dispositif de détection pour engendrer un signal porteur modulé par le dit signal caractéristique et en ce qu'un récepteur fixe est disposé près du dit rotor pour détecter le dit signal porteur et pour démoduler le dit signal pour retrouver le dit signal caractéristique. 2. Appareil suivant la revendication 1, dans lequel le dispositif de détection est un capteur de vibrations et le dit signal caractéristique un signal de vibration , caractérisé en ce que le dit récepteur est raccordé à un moyen commandant la dite machine rotative en réponse au dit signal caractéristique démo duré, le dit moyen de commande comprenant un détecteur d'amplitude, un moyen pour appliquer le dit signal de vibration au dit détecteur d'amplitude et un moyen pour faire changer le fonctionnement de la dite machine quand l'amplitude du dit signal de vibration dépasse une amplitude déterminée. 3. Appareil suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que plusieurs dispositifs de détection sont montés sur le rotor de la machine pour fournir des signaux électriques caractéristiques de conditions de fonctionnement du dit rotor et en ce qu'un équipement de multiplexage raccordé aux dits dispositifs est logé sur le dit rotor, le dit équipement étant raccordé au dit émetteur et qu'un autre équipement de multiplexage est raccordé à la sortie du dit récepteur pour restituer les signaux individuels parmi ensemble de signaux. 4. Appareil suivant l'une des revendications de 1 à 3, caractérisé en ce qu' un enroulement circulaire soi:-r:aire du stator et disposé concentriquement à 1' axe du dit rotor pour fournir un champ électromagnétique et en ce qu'une bobine est disposée sur le dit rotor et soumise au dit champ magnétique déterminant ainsi une source d'alimentation pour le dit émetteur disposé sur le rotor. 5. Appareil suivant l'une des revendications de 1 à 4, dans lequel le rotor est pourvu d'une bague d'équilibrage, caractérisé en ce que le dit émetteur est logé à l'intérieur d'une broche creuse vissée dans une ouverture pratiquée dans la dite bague d'équilibrage. 6. Appareil suivant l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la source d'alimentation du dit émetteur est logée dans une broche creuse vissée dans une ouverture pratiquée dans la dite bague d'équilibrage à proximité de la première broche creuse qui contient ltémetteur, et en ce qu'un élément tubulaire s'étend entre les dites broches creuses et forme une antenne pour le dit émetteur, et que des conducteurs électriques passent à travers le dit élément tubulaire en raccordant la dite source d'alimentation du dit émetteur. 7. Appareil suivant l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'un capteur de vibrations est monté dans une des dites broches creuses et est raccordé au dit émetteur. 8. Appareil suivant l'une des revendications de 5 à 7, caractérisé en ce qu' une antenne pour le dit émetteur est disposée sur la dite bague d'fquilibrage, le dit enroulement circulaire étant logé dans un canal circulaire en aluminium, disposé sur le dit stator à proximité de la dite bague d'équilibrage et de la dite antenne, le dit canal en aluminium formant une antenne de réception pour le dit émetteur tout en étant raccordée électriquement au dit moyen de détection. 9. Appareil suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le dit canal en aluminium et le dit enroulement logé dans celui-ci sont disposés à l'intérieur de la dite carcasse de stator.