Brevet FR2479987A1 — publié le 19811009

La présente invention se rapporte à une sonde de détection de vitesse; elle vise, plus particulière- ment, une sonde qui détecte le passage des ailettes de rotor dans une turbine à gaz. Il est/essentiel, dans un moteur à turbine à gaz, de vérifier la vitesse des parties tournantes. Jus- qu'à présent, ce contr8le a été effectué au moyen de cap- teurs magnétiques ou optiques qui peuvent détecter la vitesse de l'arbre ou du rotor. Des capteurs de ce type sont sensibles à la chaleur et à la contamination et leur emploi est donc limité aux parties plus froides et plus propres du moteur, c'est-à-dire au compresseur, aux pa- liers et aux parties avant de l'arbre. L'information, fournie par ces dispositifs, est donc limitée et n'indi- que pas forcément l'état du rotor dans le corps de tur- bine. Cela peut devenir dangereux en cas d'incident sur l'arbre de la turbine de compresseur à l'avant du détec- teur de vitesse. L'indicateur suivant l'art antérieur si- gnale dans ce cas un ralentissement du compresseur et une demande d'augmentation du combustible pour compenser la diminution de vitesse, alors qu'en réalité la turbine de compresseur, libérée de sa charge, commence à accélérer jusqu'à des vitesses de rotation qui peuvent provoquer son éclatement. L'invention a pour objet une sonde qui peut ré- sister à l'environnement de la tuyère de turbine, o les températures peuvent dépasser 8700C et o il y a une forte densité de produits de combustion; Cette sonde peut en- gendrer un signal utilisable pour le réglage du jeu en bout d'ailette, le contr8le de vitesse et d'autres applications dépendant de l'analyse électronique du signal. La présen- te description se rapporte à un dispositif de contr8le de vitesse. Un dispositif de contr8le du jeu en bout d'ai- lette est décrit dans le brevet U.S. n0 4 063 167 du 13 Décembre 1977,de la même demanderesse. Ce dispositif uti- lise une sonde du type à capacité, placée dans la zone du jeu en bout d'ailette d'un compresseur. Un circuit électronique reçoit le signal de la sonde et enregistre la variation de capacité provoquée par les ailettes du rotor de compresseur lorsqu'elles passent en face de la sonde. Cette sonde particulière utilise une résine époxy thermodurcissable pour maintenir ses électrodes en place et, pour cette raison et d'autres détails de sa construc- tion, elle tend à se casser lorsque la température des électrodes augmente. Le présent dispositif, ayant pour objectif de détecter une survitesse de la turbine, doit être extrêmement fiable aux hautes températures. La sonde à haute température suivant la pré- sente invention comprend un bottier à cavité intérieure prévue pour recevoir un ensemble d'électrodes. L'ensemble d'électrodes comporte des anneaux isolants de retenue, intérieur et extérieur, qui sont placés séquentielle- ment autour de deux tiges d'électrodes à l'intérieur du bottier. Les anneaux de retenue fixent la position des électrodes à l'intérieur du bottier et ils sont maintenus en place par un couvercle. Des embouts sont placés sur les porte-électrodes, à leur extrémité extérieure. L'en- semble complet est fixé en position par brasure sous vide. Le signal de la sonde est transmis par un câble blindé à un circuit de traitement de signal qui le transforme en un signal direct de vitesse capable d'alimenter un appa- reil de mesure ou un autre dispositif d'affichage visuel. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de sa forme de réalisation, non limitative, représentée sur les dessins annexés. Fig. 1 est une coupe partielle d'un moteur usuel à turbine à gaz. Fig. 2 est un schéma de principe d'un dispositif 3! de détection de vitesse utilisant la présente invention. Fig. 3 représente les circuits des éléments de filtrage et d'amplification du schéma de principe de la figure 2. Fig. 4 est une coupe de la sonde suivant l'in- vention, et Fig. 5 est une coupe de la tige d'électrode de la sonde suivant l'invention. Le dispositif de détection de vitesse suivant l'invention est utilisé dans un moteur 25 à turbine à gaz, comme représenté sur la figure 1. Le moteur 25 comprend un compresseur 23, une chambre de combustion 24, une turbine de compresseur et une turbine principale de puissance 21. La turbine 20 du compresseur entraîne le rotor de com- presseur 23 par l'intermédiaire d'un arbre 22. Une sonde 1 à haute température est insérée dans l'enveloppe 26 de la turbine de compresseur 20. Les détecteurs de vitesse suivant l'art antérieur sont limités à l'utilisation dans la région du compresseur 23, en association avec le rotor ou sur l'arbre 22. On constate qu'un incident sur l'arbre 22 dans la partie chaude du moteur 25 n'est pas ressenti immédiatement par des détecteurs situés dans les parties plus froides. Comme représenté sur le schéma de principe de la figure 2, la sonde 1 est reliée à une source de ten- sion 19 qui peut créer-par exemple une différence de po- tentiel de 500 volts entre les électrodes 4 et 5 de la sonde 1. La sortie de la sonde 1 est reliée à un filtre à bande passante haute qui est rendu nécessaire par l' environnement dans la région de la turbine contenant des gaz à température élevée et des produits de combustion. Un amplificateur de produit 16 reçoit le signal filtré qui est alors transformé d'un courant alternatif en une tension alternative et qui est amplifié. Après a- voir été traité par un convertisseur 17 qui le transforme d'un signal de fréquence en un courant continu, le signal est lu par un indicateur 18. En variante, le signal peut être lu par un compteur de fréquence ou utilisé dans un dispositif de protection contre les survitesses afin de couper l'envoi de combustible au moteur lorsque la vi- tesse de la turbine atteint un seuil prédéterminé. La figure 3 représente, de façon plus détaillée, les circuits désignés par les repères 15, 16 et 19 sur la figure 2. Les circuits 17 et 18 ne sont pas décrits, car on peut utiliser tout dispositif approprié, disponible sur le marché. Une tension continue d'excitation est en- voyée aux pôles 4 et 5 de la sonde par les bornes +V et -V de la source, à travers des résistances RI et R2 de limitation de courant, Cl et C2 sont des capacités de découpage qui empêchent la tension d'excitation de s'ap- pliquer à l'entrée de transistors Qi et Q2. Les filtres passe-haut sont du type différen- tiel tripolaire et sont constitués par les combinaisons de R3, R5, C4; R8, R9- C6; et CIO, R18, R19 pour une moitié de l'étage différentiel, et par les composants correspondants R4, R6, C3; R20, RM, C7; et Cll, R20, R21 pour l'autre moitié. L'amplification différentielle du dispositif est fournie par des amplificateurs opérationnels AI, A2 et A3 en association avec des circuits de réaction consti- tués par R8, R9 pour AI; R10, R11, pour A2 et R19, R21 pour A3. La suppression de bruit et la protection contre les surtensions sont assurées par des diodes zener Zl et Z2 qui limitent la tension de QI et Q2 à des niveaux-de fonctionnement de sécurité. Les transistors Qi et Q2 à effet de champ pla- cés dans les circuits d'entrée des amplificateurs Ai et A2, donnent au circuit une impédance d'entrée très élevée, ce qui permet au dispositif d'agir comme un amplificateur de charge, afin de transformer les variations diélectri- ques entre les pôles 4 et 5 de la sonde en tensions pro- portionnelles, à la sortie de A3. La structure de la sonde 1 est représentée en détail sur la figure 4. Tous les matériaux doivent être choisis en fonction de leurs propriétés à haute tempéra- ture et l'ensemble est conçu pour réduire la contamina- tion par les sous-produits de la combustion. Bien qu'on puisse utiliser d'autres matières, on a constaté que le produit connu sous le nom de KOVAR convient pour les élé- ments de structure et on utilise un saphir synthétique pour les parties isolantes. Le bottier 2 comporte un réceptacle central, en forme de coupe, dans lequel se loge l'ensemble d'élec- trodes. Le bottier 2 présente également un orifice par lequel passe un câble 3e Ce dernier comporte deux conduc- teurs 27 et 28 nickel-nickel, protégés par une gaine en INCONEL ou HASTELLOY X. Les conducteurs 27 et 28 sont rac- cordés aux tiges d'électrodes 6 et 7 par l'intermédiaire d'un passage 31, comme représenté sur la figure 5. Les tiges 6 et 7 sont identiques et comportent un passage 31 de conducteur et un épaulement de centrage 30. Un bossage de fixation 29 fait saillie vers l'exté- rieur du corps de la tige et s'engage dans une rainure de l'anneau isolant de retenue 9. Ce dernier, réalisé en saphir synthétique, est placé à l'intérieur du réceptacle du bottier 2 pour former une barrière isolante à la par- tie intérieure des tiges d'électrodes 6 et 7. L'anneau isolant 9 comporte une rainure 11, dans laquelle peuvent se loger les bossages de clavetage 29 afin d9empêcher la rotation des tiges 6 et 7. L'anneau extérieur de retenue 8, réalisé en saphir synthétique, s'ajuste sur les tiges 6 et 7. Des embouts d'électrodes 13 et 14 sont placés sur les tiges 6 et 7 et reposent sur l'épaulement 30. L'épau- lement 30 est prévu pour maintenir l'embout d'électrode légèrement surélevé par rapport à la surface de l'anneau 8, afin de laisser un intervalle isolant d'air au-dessous des embouts d'électrodes 13 et 14. La dimension de ces derniers est déterminée de manière à conserver un inter- valle d'air autour de chaque électrode. Un couvercle 12 est placé sur le bottier 2, pour compléter l'assemblage et bloquer l'anneau de retenue 8. L'ensemble complet peut ensuite être fixé par brasure sous vide à haute tempéra- ture, à une température comprise entre 9250C et 11500C, selon les matières utilisées. De cette façon, les ensembles d'électrodes 4 et 5 sont construits et placés à l'intérieur du bottier 2 avec un intervalle isolant d'air 32 séparant les élec- trodes 4 et 5 l'une de l'autre, ainsi que du bottier 2 et de l'anneau isolant 8. Cela allonge le chemin de claquage sur lequel les produits contaminants peuvent s'accumuler et gêne d'autre part cette accumulation. On a constaté que la présence de l'intervalle d'air 32 provoque une nette amélioration des caractéristiques à haute tempéra- ture. Avec les dispositifs suivant l'art antérieur, la rupture se produit entre 4250C et 5400C dans les meilleu- res conditions. Avec la sonde suivant l'invention, on peut atteindre des températures dépassant 1095 C, sans nuire à la fiabilité. De plus, on obtient un positionnement pré- ciscqui facilite l'étalonnage. Le bottier 2 et les ensembles d'électrodes 4 et , qui comprennent les tiges 6 et 7 et les embouts 13 et 14, sont réalisés en matière, KOVAR par exemple, qui peut résister à une température de 11000C. Les éléments iso- lants 8 et 9 sont réalisés en saphir synthétique ayant une bonne tenue à une température maximale dépassant 16500C. L'ensemble complet peut 4tre introduit dans un orifice de l'enveloppe de turbine et boulonné en position de façon étanche. En fonctionnement, une tension de 500 volts à haute fréquence est appliquée entre les électrodes 4 et 5, ce qui crée un champ électrique au voisinage de la sonde 1. L'intensité de ce champ est proportionnelle à la ten- sion et à la capacité entre les électrodes. La capacité entre les électrodes est faible lorsque la sonde est en- tourée de gaz, mais lorsqu'une ailette passe devant la sonde la capacité augmente, du fait de la constante dié- lectrique plus grande de la matière de l'ailette. L'aug- mentation de capacité provoque l'apparition d'une impul- sion de tension correspondante, à la sortie de la sonde 1. Une impulsion apparait donc chaque fois qu'une ailet- te passe devant la sonde, ce qui fournit un signal pré- cis, représentatif de la vitesse, pour le circuit de con- tr8le de vitesse. Puisque l'amplitude de l'impulsion est inversement proportionnelle au jeu entre l'extrémité d' ailette et les électrodes 4 et 5 de la sonde, on peut é- galement obtenir une lecture représentative du jeu en bout d'ailette. Il est entendu que des modifications de/fétail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Revendications 1. Sonde de détection du passage d'une ailette de rotor dans la partie chaude de la turbine d'un moteur à turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend s un bottier (2) réalisé en matière résistant aux températures élevées, comportant une cavité intérieure ouverte; au moins une paire d'électrodes (4,5) réalisées en matière résistant aux températures élevées, fixées dans le bot- tier et faisant saillie à l'extérieur de celui-ci; une pièce (8,9) réalisée en matière isolante, résistant aux températures élevées, fixée dans la cavité du bottier et prévue pour recevoir et maintenir en position les élec- trodes à l'intérieur du bottier, cette pièce étant conçue pour isoler les électrodes du bottier et réserver un in- tervalle d'air (32) autour de l'extrémité extérieure de chaque électrode; un c9ble (3) qui traverse le bottier et contient un conducteur (27, 28) raccordé à chaque é- lectrode; des moyens étant prévus pour la fixation de la sonde à proximité des ailettes de la turbine, dans une position o les électrodes pénètrent dans la zone de la turbine suffisamment près des ailettes pour qu'un champ électrique appliqué aux électrodes soit modifié par le passage de ces ailettes. 2. Sonde suivant la revendication 1, caractérisée en ce que chaque électrode comprend z une tige d'électrode (6,7) fixée au conducteur (27, 28) d'électrode, cette tige étant conçue pour s'ajuster-dans la pièce isolante (8,9) afin d'être ainsi maintenue en position de manière à faire saillie à l'extérieur du bottier; et un embout d'électro- de (13,14) fixé à l'extrémité extérieure de la tige d'é- lectrode et disposé transversalement à celle-ci dans 1' intervalle d'air (32), de façon à augmenter le chemin en surface entre les électrodes elles-mêmes et entre les é- lectrodes et le bottier. 24799a7 3. Dispositif de détection de la vitesse de rotation d'un rotor de turbine dans un moteur à turbine à gaz, com- prenant une sonde suivant la revendication 1 ou 2 montée dans la zone du jeu d'extrémité d'ailette du rotor de tur- bine, caractérisé en ce qu'il comprend: une source de tension (19) branchée entre les électrodes (4,5) de la son- de; un filtre (15) à bande passante haute, raccordé de ma- nière à recevoir le signal de la sonde; un amplificateur (16), raccordé de manière à-recevoir le signal filtré ve- nant du filtre passe-haut pour amplifier et redresser ce signal; et un instrument (18) d'affichage visuel, relié de manière à recevoir le signal de l'amplificateur et à le transformer en une indication de vitesse sous forme lisible. 4. Dispositif suivant une des revendications là 3, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de sortie qui fournit un signal pouvant être utilisé pour la commande du fonctionnement du moteur.