Brevet FR2576413A1 — publié le 19860725

"Dispositif pour la mesure de pressions dans des systèmes rotatifs ". L'invention concerne un dispositif pour la mesure de pressions dans des systèmes rotatifs tels que des turbines ayant au moins une partie de support du côté du carter et au moins un arbre tournant pour un rotor placé dans celle-ci. Lorsqu'il est fait une série de mesures, en particulier de mesures de pression, de sys- tèmes rotatifs, celles-ci doivent en général, en tous cas pour les turbomachinesen particulier pour les turbi- nes à gaz, être transmises vers l'extérieur. A cette fin, diverses solutions possibles sont connues. Une solution connue consiste à obturer individuellement avec un joint torique (déplacé axialement) les conduites sous pression pour la commutation pneumati- que des points de mesure. Chaque obturation avec des joints toriques a cependant l'inconvénient qu'elle ne convient que pour de faibles vitesses de rotation ( en particulier inférieures à n = 6000 min -. Les joints toriques s'usent, les durées de vie sont relativement courtes. De telles constructions requièrent aussi qu'une extrémité libre de l'arbre soit accessible. Il n'est pas exclu que les valeurs mesurées soient affectées par la température. Une autre solution connue consiste à transmettre, par des bagues collectrices, des signaux de mesure de détecteurs de pression tournant avec l'arbre du rotor. En ce cas, les inconvénients sont également des durées de vie courtes, car les bagues collectrices ne fonctionnent pas sans usure. En outre, il est néces- saire qu'une extrémité libre de l'arbre soit accessible. Le but de la présente invention est de réaliser un dispositif de mesure, dans lequel une mesure à plusieurs canaux d'un certain nombre de pres- sions, températures, etc, soit faite au niveau de parties en rotation pendant la marche et puisse être commandée de l'extérieur et les valeurs mesurées puissent être trans- mises à l'extérieur avec le moins d'altération possible. En outre, le domaine d'utilisation, en ce qui concerne les vitesses de rotation et les températures, doit être élargi et le montage et le démontage des composants doivent être facilités et l'alimentation en air de com- mutation et en tension doit être simplifiée. I1 est im- portant que l'installation des composants doit être faite de telle façon qu'ils fonctionnent sans usure de manière à obtenir pendant une longue période une précision des mesures la plus élevée possible. La solution selon l'invention con- siste en ce que sont disposés dans un arbre creux: - un commutateur de points de mesure pneumatique/électri- que, - un moteur pas-à-pas pneumatique pour le commutateur de points de mesure tournant en même temps, - une pièce de support et de raccordement pour le commuta- teur, - un détecteur de pression, - au moins un autre capteur, - un transmetteur de valeurs mesurées pour la transmission à distance par télémesure du signal de pression, - un transmetteur de valeurs mesurées pour la transmission d'autres valeurs mesurées telles que la température, - un support pour les modules d'émission et une antenne et une bobine d'alimentation en courant, ce par quoi le dispositif de transmission transmet les télémesures au stator ou au carter de la machine. - Les avantages essentiels de l'inven- tion consistent en ce que l'intervalle de vitesses de rotation dans lequel il est possible d'effectuer des mesures de ce type a été considérablement élargi par rapport aux dispositifs de mesure connus. Ainsi, peuvent être utilisés pendant une durée plus longue des vitesses de rotation allant largement au-dessus de 20 000 min1. Il n'y a pas de limite supérieure de température aux points de mesure de la pression. Un refroidissement séparé de l'arbre n'est pas nécessaire. La transmission des signaux par télé- mesure sans contact offre l'avantage que, de ce fait, la durée de vie du système n'est pas affectée défavorable- ment, pas plus que sa précision. Le transfert de l'air de commuta- tion, sans contact, au moteur pas-à-pas pneumatique pour le commutateur de points de mesure-et l'alimentation en courant sans contact au moyen de bobines couplées par voie d'induction ne portent non plus aucun préjudice du à l'usure à la durée de vie, comme c'est le cas pour les dispositifs de mesure connus. Particulièrement avantageuse est la configuration du système de mesure sous forme d'une unité enfichable qui est disposée dans un arbre creux. Dans le cas de défectuosité ou. de ré-étalonnage de compo- sants, le système enfichable peut être facilement monté et démonté par un côté de l'arbre creux. Le montage et le calibrage sont encore facilités par le fait que l'ali- mentation en air comprimé est effectuée à une extrémité d'un arbre creux et que l'alimentation en courant est effectuée à l'autre extrémité. Le montage et le démontage sont, en plus, facilités par le fait que le dispositif de mesure présente des composants individuels enfichables suivant l'axe ou l'un dans l'autre, tels que sonde de température, détecteur de pression, leurs supports et émetteurs (antennes) ainsi que commutateur de pression et. moteur pas-à-pas. D'autres avantages apparaissent dans la description et du dessin d'un exemple de réali- sation, comprenant le système de commutation, ainsi que de son utilisation. Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés très schématiquement sur les dessins ci-annexés, sans limiter l'invention à ceux- ci. Ils représentent: - figure 1: la disposition de mon- tage des composants essentiels de l'invention; - figure 2: la configuration du système de mesure monté sur un support; - figure 3: le moteur pneumatique pas-à-pas, le commutateur de pression ainsi que les par- ties de support et de raccordement; - figure 4: les composants suivant la figure 3, mais avec, en plus, support de télémesure, modules émetteurs, antenne et parties de support ou de raccordement correspondantes; - figure 5: l'unité de mesure et le système de télémesure, montés dans une turbomachine. Le principe de la présente inven- tion repose sur un système d'enregistrement de mesures, de transmission et d'interprétation à plusieurs canaux avec une transmission à distance, sans contact, des don- nées. Plusieurs points de mesure de la pression sont commutés (par 2) par un dispositif pneumatique, pouvant être commandé de l'extérieur, en particulier avec pré- sélection des points de mesure par un appareil de commande qui actionne les valves pneumatiques 19. Celles-ci agissent sur un moteur pneumatique pas-à-pas 4 qui est raccordé à une commutation pour les points de mesure (voir figure 1). Essentielle est aussi l'unité enfichable constituée du moteur pneumatique, du commutateur de pres- sion, des capteurs et des émetteurs 1 à 5 et 8 à 11, qui peut être installée de la façon la plus simple à l'intérieur d'un arbre creux 16 (voir figures 2Met 5), sur les paliers 30. Comme indiqué encore en figure 1, le commutateur de pression 2 est raccordé à un détecteur de pression 3 et celui-ci à un module-émetteur 8 qui est à son tour raccordé à une antenne émettrice 9. En outre, pour la correction des signaux de pression, il est prévu un module-émetteur 14 pour les températures. Les signaux de sortie des modules-émetteurs sont transmis par une antenne émettrice 9. Les parties qui viennent d'être décrites sont disposées dans le rotor 1 (voir figure 1, moitié gauche). Comme le montre encore la figure 1 (voir moitié droite), dans le stator 31 sont raccordés les uns aux autres une antenne de réception 12, un récep- teur 21, un démodulateur 22 et un dispositif de démulti- plexage 24. Le démodulateur 22 est connecté à un indica- teur de valeurs mesurées 23 pour la pression, tandis que le dispositif de démultiplexage 24 est connecté à un commu- tateur de canaux 25 et a un indicateur de valeurs mesurées 26 pour d'autres valeurs mesurées, éventuellement T. D'après la figure 1, on peut voir, en outre, la source d'énergie ou alimentation en tension pour l'amplificateur des valeurs mesurées, et le module-émetteur pour la transmission des données par télémesure. A cette fin, une bobine d'induction 11 est connectée dans le stator à un oscillateur 27. A la bobine d'induction dans le stator est couplée une bobine d'induction sur le rotor, qui à son tour est raccordée aux modules-émetteurs pour la pression 8 et la température 14 et/ou d'autres valeurs mesurées, qui sont reliés à l'antenne-émettrice 9. Bien qu'en figure 1, il ne soit représenté que deux canaux pour le système de télémesure, il va de soi qu'un grand nombre de canaux peuvent être enregistrés et transmis pour les valeurs mesurées que l'on désire, telles que couple, accélération, dilatation et autres. La figure 2 montre le montage ou la disposition des composants dans un support expérimen- tal. En ce cas, des conduites de mesure de la pression de divers points d'une éprouvette rotative I sont raccor- dées à un commutateur de points de mesure de pression 2 disposé au centre de l'arbre du rotor, qui connecte chaque fois une des conduites de mesure de pression à un détec- teur de pression piézo-électrique 3. Le commutateur de points de mesure est actionné par un moteur pas-à-pas pneumatique 4. Le moteur pas-à-pas et le commutateur de pression sont supportés dans une partie de support et de raccordement 5. Les parties 2 à 5 sont enfichables les unes dans les autres. L'air de commutation pour le moteur pas-à-pas 4 est amené par deux conduites sous pression 6 et 7 disposées de façon concentrique, qui sont rendues étanches de façon inusable au niveau de leur section qui se trouve entre rotor et stator (à gauche en figure 2). Pour le codage du commutateur de points de mesure, le système de commutation d'air est raccordé à deux entrées vers 6 et 7 à partir de 19. Le détecteur de pression 3 est ali- menté en tension par le module émetteur-de pression 8 et son signal de sortie est transformé dans le module- émetteur en signaux HF modulés en fréquence qui sont transmis sans contact, par une antenne-émettrice 9, de l'éprouvette rotative 1 au stator 31. L'alimentation en tension des modules-émetteurs s'effectue sans contact par un système de bobines couplées par induction avec une bobine de rotor 10 et une bobine de stator 11. Dans le stator, est disposée, en outre, l'antenne-réceptrice 12. Les commu- tateurs de points de mesure, détecteurs de pression, éventuellement d'autres capteurs, modules d'antennes émettrices et correspondantes, sont respectivement reliés les uns aux autres (enfichables les uns dans les autres) par des éléments et/ou des supports de raccordement et de soutien, tels que 5, 15, et interchangeables dans un arbre creux 16 de la turbomachine. Pour obtenir une grande précision de mesures, on prend en considération, au moyen de com- pensation, l'effet des forces centrifuges qui, dans les systèmes rotatifs, se produisent sur les conduites de mesure de pression et sur le milieu qu'elles contiennent. Pour cette correction, il faut faire intervenir la tempé- rature du milieu en plus de la vitesse de rotation. Comme sondes de température, il est utilisé les thermo- couples 13 qui sont disposés avec leur canalisation 29 le long des tronçons des conduites de mesure de pression 28 qui ont une direction radiale. Les thermocouples sont raccordés'aux supports de télémesure de façon enfichable, au centre de l'axe, voir figure 4, numéro 13. Les tempé- ratures, telles qu'elles sont mesurées par le thermo- couple 13 sont transmises du côté du stator sous forme de signaux HF modulés en fréquence, en même temps que les températures des détecteurs de pression et de l'unité électronique de pression, sans contact, par une deuxième unité électronique. Leurs erreurs en fonction de la température sont corrigées par les températures du détec- teur de pression et du module-émetteurs de pression. Grâce'à ces méthodes de correction, obtient, pour un système de mesure de la pression à plusieurs canaux, une précision de mesure de + 0,2 % de l'intervalle de mesures dans la gamme de températures au centre de l'arbre allant d'environ 275 à 400 K et pour des vitesses de rotation allant jusqu'à un maximum de 000 min-1 environ. La durée de vie du système est pra- tiquement illimitée car toutes les transmissions du rotor au stator et inversement sont effectuées sans contact et les composants dans le rotor sont alimentés en électri- cité par le stator. La même chose est valable pour la partie pneumatique. Comme le montre la figure 3, un moteur pas-à-pas pneumatique 4, qui tourne avec l'arbre creux et qui est fixé dans un support spécial 5, est disposé avant le commutateur de pression. Sur la figure 4, on peut encore voir un détecteur de température, un émetteur de température 14 et un support 15 pour le dispositif de télémesure. Par celui-ci, le signal de sortie du détecteur de pression 3 tournant avec l'arbre est amené à l'antenne-émettrice par le moteurémetteur. Au niveau de l'antenne HF est en même temps branché l'émetteur pour la transmission des signaux de mesure d'un ou de plusieurs thermocouples 13. Le commutateur de pression rotatif est incorporé dans le support de télémesure 15. Ce commu- tateur de pression 2 permet le raccordement d'un grand nombre de points de mesure de la pression et la jonction par paliers de ces points de mesure avec le canal de sor- tie. Ce commutateur de pression 5 raccorde par son mou- vement angulaire graduel autour de l'axe de rotation (axe de l'arbre creux 16) chaque fois un canal d'entrée au détecteur de pression 3. Son mouvement est commandé avec précision par le moteur pas-à-pas pneumatique 5, par exemple en pas de 10 degrés d'angle. Dans la partie moyenne du moteur pas-à-pas se trouve une double chambre dont la cloison de séparation 2 sert de piston et qui peut coulisser en avant et en arrière. Le piston met en mouvement l'axe dont les deux extrémités portent les rondelles dentées 4a et 4b (voir à ce propos les figu- res 3 et 4). Deux des séries de canaux 2b et 2c visibles sur l'enveloppe externe du moteur pas-à-pas servent au remplissage mutuel avec de l'air comprimé de chaque fois un espace d'un côté de la cloison de séparation dans la chambre double. Si la série de droite des trous est alimentée en pression, le piston se déplace vers la gauche et amène la rondelle dentée 4a dans la position indiquée en figure 3. Si la pression de commutation est dirigée sur la rangée gauche de trous des canaux, le pis- ton glisse vers la droite. A chaque commutateur, une des rondelles dentées 4a et 4b s'enclenche avec la rondelle dentée 4b dans la dentelure correspondante sur le cylin- dre. Grâce à la répartition de la dentelure, il en résulte chaque fois une rotation de l'axe du moteur pas-à-pas de . Un taquet d'entraînement sur l'axe du moteur pas-à- pas déplace le commutateur sans jeu. Le commutateur de pression 2 est également intégré de façon enfichable dans le support de télémesure 15. Les figures 2 et 5 montrent l'ensem- ble du dispositif de mesure de la pression et de télé- mesure en tant qu'unité pour le montage dans un arbre creux 16 qui se déplace dans le support expérimental 17 et le moyeu 18. L'air de commutation pour le moteur pneumatique pas-à-pas est amené à la partie centrale de l'arbre creux par les conduites sous pression 6, 7. Les deux conduites ne sont rendues étanches dans le rotor 1 que par entrefer et labyrinthe. La pression de commutation s'est élevée par exemple à 2 bars environ. Des impulsions de pression de 30 ms environ étaient suffisantes pour actionner le moteur pas-à-pas. Pour l'entralinement du moteur pas-àpas 4, les conduites d'air de commutation 2576 4 13 6 et 7 ont été alimentées mutuellement en pression au moyen des électrovannes 19. Les signaux de courant pour les électrovannes et les impulsions de pression pour les conduites d'air de commutation ont été effectués par un appareil de commande électronique 20 (voir figure 1). Les canaux de mesure peuvent être sélectionnés sur celui-ci. Le clavier de présélection de l'appareil de commande est protégé électriquement contre des opérations fautives. Pour le codage du commutateur de points de mesure 2, deux conduites de pression pneumati- ques sont raccordées solidement à deux entrées de celui- ci nettement identifiables. I1 doit être bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'illustration et non limitatif et que toutes variantes et modifications peuvent y être apportées sans sortir pour autant du cadre général de la présente invention tel que défini dans les revendications. l1 R E V E ND I C A T I 0 NS ) Dispositif pour l'enregistrement de valeurs mesurées dans des systèmes rotatifs de turbo- machines, en particulier de turbines à gaz, ayant au moins une partie de support du côté du carter et au moins un arbre d'un rotor tournant placé dans celui-ci, divers points de mesure.avec des détecteurs appropriés, caracté- risé en ce que sont disposés au centre d'un arbre creux: - un commutateur de points de mesure pneumatique/électri- que (2), - un moteur pas-à-pas pneumatique (4) pour le commutateur des points de mesure tournant en même temps - une pièce de support et de raccordement (5) pour le commutateur; - un détecteur de pression (3); - au moins un autre capteur (13); - un transmetteur de valeurs mesurées (8) pour la transmission à distance par télé- mesure du signal de pression; - un transmetteur de valeurs mesurées (14) pour la transmission d'autres valeurs mesurées telles que la température; - un support (15) pour les modules d'émission (8, 14) et une antenne (9) et une bobine d'alimentation en courant (10), ce par quoi le dispositif de transmission (8 à 10, 14) transmet les télémesures au stator ou au carter de la machine. ) Système de commutation pour un enregistrement à plusieurs canaux, une transmission et une interprétation de valeurs de la pression et d'autres mesu- res dans des systèmes rotatifs, caractérisé par des cap- teurs de mesure (détecteurs) (3, 13) exclusivement dans la partie rotative (16), la transmission à-distance des valeurs mesurées, sans contact, pour la réception et l'évaluation par télémesure dans le stator (31.) du sys- tème rotatif d'une turbomachine. 3 ) Système de commutation selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un commutateur pas-à-pas pneumatique est joint à un commutateur de points de mesure de pression qui raccorde chaque fois une conduite 257641.3 de mesure de pression au détecteur de pression qui, de son côté, est raccordé à un module émetteur et une an- tenne émettrice. 4 ) Dispositif selon l'une quelcon- que des revendications I à 3, caractérisé en ce que le moteur de commutation pneumatique peut être commandé par des valves pneumatiques qui, à leur tour, reçoivent leurs commandes de commutation d'un appareil de commande élec- tronique qui est connecté aux valves. 5 ) Système de commutation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'antenne réceptrice du dispositif de transmis- sion par télémesure est raccordée à un récepteur de don- nées mesurées qui est raccordé à un dispositif de démul- tiplexage et à un indicateur extérieur, et que, pour l'arrivée du courant d'alimentation, un oscillateur est branché à la bobine d'induction du stator. 6 ) Système de commutation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de démultiplexage connecté au récepteur de données est connecté, pour diverses valeurs mesurées, de l'autre côté, à un commutateur de canaux extérieur. ) Utilisation d'un système de mesure de précision à plusieurs canaux selon au moins l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans une turbo- machine, en particulier une turbine à gaz à plusieurs arbres et au moins un arbre creux, auquel sont joints les détecteurs de mesure (capteurs) ainsi que les récepteurs de valeurs mesurées (sondes de mesure) et un dispositif de télémesure pour la transmission à distance des données. 8 ) Utilisation d'un dispositif selon la revendication 7, dans un disque de rotor (1) d'une turbomachine, en particulier d'une turbine à gaz, les mesures du débit étant effectuées par des disques de recouvrement dans un rotor à aubes et un grand nombre de mesures étant en même temps effectuées et au moins une de ces mesures étant une mesure de pression qui est effectuée pendant la marche du rotor, de façon commutable de l'extérieur par voie pneumatique. ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour le commutateur de pointsde mesure (3), de l'air de commutation peut être amené au moteur pas-à-pas pneumatique (4) par les conduites de pression (6, 7) qui sont rendues étanches de façon inu- sable dans la zone d'une pièce de support fixée au carter. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le moteur pas-à-pas pneumatique (4) raccorde par son mouvement angu- laire par paliers, chaque fois au commutateur de pression (2), un canal d'entrée (21) de valeurs-mesurées par le détecteur de pression. ) Dispositif selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le détecteur de pression (3), le commutateur de pression (2), l'amplificateur de valeurs mesurées et le module- émetteur (8) pour la transmission à distance des données par télémesure comportent une alimentation en courant (10) au voisinage d'une partie de support (30) fixée au carter, qui est constituée de bobines (10, 11) couplées par induction, mais jointes l'une à l'autre sans contact. 12 ) Dispositif selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les parties individuelles pour l'enregistrement des données (3), la commutation des points de mesure (2, 4, 5) et le module-émetteur (8, 14) de la transmission à distances des données se trouvent sous la forme d'unités enfichables et sont disposées dans un arbre creux (16). 13 ) Dispositif selon l'une quelcon- 14- que des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les conduites pour l'arrivée de l'air de commutation (6, 7) au commutateur de points de mesure (2) sont connectées pour le codage de celui-ci à deux entrées du commutateur. 14 ) Dispositif selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que des éléments de mesure de température (29) sont joints aux conduites de mesure de pression (28). ) Dispositif selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les valeurs de mesure de la température (13) sont amenées par télémesure en tant que signaux de correction d'éven- tuelles déviations dues à la température des valeurs de mesure de la pression à un dispositif électronique d'éva- luation (24 à 26) et o elles sont traitées. 16 ) Dispositif selon l'une queleon- que des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que l'enregistrement (3), la transmission (8, 9) des mesures de la pression et le système électronique d'évaluation (21 à 23) sont constitués de plusieurs canaux. 17 ) Dispositif selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que les éléments de mesure (3, 13) de la pression, de la tempéra- ture ainsi qu'éventuellement d'autres éléments de mesure sont disposés en direction axiale de manière enfichable les-uns derrière les autres ou les uns dans les autres. 18 ) Dispositif selon la revendica- tion 10, caractérisé en ce que l'unité enfichable con- tient, à une extrémité de l'axe, les conduites (6, 7) disposées pour l'arrivée de l'air de commutation et présente, à la même extrémité ou à l'extrémité opposée selon l'axe, des bobines (10, 11) pour l'alimentation électrique et au moins une antenne (9) pour la transmis- sion des signaux.