Brevet FR2588076A1 — publié le 19870403

La présente invention a trait a un dispositif pour mesurer le déplacement axial d'un élément tournant, et en particulier pour mesurer le déplacement axial de pales de rotor dans une machine rotative, par exemple les pales de compresseur d'un moteur à turbine à gaz. Les éléments tournants se déplacent souvent axialement en plus de leur rotation généralement autour de leur axe de rotation, et il est souhaitable d'avoir une indication sur l'intensité et la direction de tout déplacement axial de l'élément tournant. Un dispositif et procédé pour détecter les vibrations axiales d'un 1 o élément tournant, tel que décrit dans le brevet britannique 1009979, était d'utiliser un aimant positionné sur la circonférence d'un élément tournant, et un fil conducteur stationnaire espacé radialement de l'élément tournant. Le fil conducteur était formé à partir d'une pluralité de barres parallèles reliées entre elles inclinées à 450 par rapport à I'axe de rotation. Lorsque l'aimant passe à proximité du fil conducteur, une impulsion de force électromotrice est produite dans le fil, et ainsi une force électromotrice alternative est produite avec une certaine fréquence. Les vibrations provoquent une variation dans la fréquence de la force électromotrice produite par l'aimnant passant à proximité du fil conducteur. Un deuxième dispositif et procéde pour le mesurage du mouvement axial d'un élément tournant était d'utiliser un aimant positionné sur la circonférence d'un élément tournant, et un fil conducteur fixe espacé radialement de l'élément tournant. Le fil conducteur était formé de trois barres, deux barres s'étendant parallèlement l'unes à l'autre dans une direction axiale et la troisième barre s'étendant diagonalement entre les deux autres barres à 45e, constituant ainsi une forme en Z. A nouveau lorsque l'aimant passe à proximité du fil conducteur une impulsion de force électromotrice est produite dans le fil. Le déplacement axial de l'élément tournant amène le point auquel l'aimant croise la troisième barre à varier et ainsi la position de l'impulsion de force électromotrice engendrée se déplace en temps par rapport aux impulsions provenant des première et deuxième barres. La position axiale de l'aimant, élément tournant, peut-être calculée en extrapolant la durée entre les impulsions provenant des première et troisième barres et la durée entre les impulsions provenant des première et deuxième barres et par multiplication par un facteur d'échelle égal à la largeur de la forme en Z du fil conducteur. Ce deuxième dispositif est utilisé conjointement avec un oscilloscope, mais présente des inconvénients en ce que l'impulsion provenant de la troisième barre est difficile à détecter, car les amplitudes des impulsions ne sont pas les mêmes, et le pouvoir séparateur (résolution) est pauvre. De plus le dispositif devient non linéaire aux extrémités des barres o elles sont reliées entre elles parce ce que les impulsions se mélangent. La présente invention tente de proposer un dispositif pour détecter le déplacement axial d'un élément tournant dans lequel les impulsions de force électromotrice sont plus faciles à détecter et o la résolution est améliorée. Dans ce but la présente invention propose un dispositif pour détecter le déplacement axial d'un élément tournant comprenant un fil conducteur espacé radialement de l'élément tournant, l'élément tournant ayant au moins un aimant qui, en tournant, passe a proximité du fil conducteur, produisant une force électromotrice impulsionnelle dans le fil conducteur à chaque fois que l'élément croise le fil conducteur, le fil conducteur ayant une première branche, une deuxième branche et une troisième branche connectées ensemble et s'étendant avec des composantes axiales et circonférentielles, la première branche et la troisième branche s'étendant dans des directions circonférentiellement opposées a la deuxième branche pour améliorer la résolution entre les impulsions de force électromotrice produites lorsque au moins un aimant croise la première, la seconde et la troisième branche, l'intervalle de temps entre les forces électromotrices impulsionnelles variant et étant indicatif de la position axiale de l'élément tournant, les première, deuxième et troisième branches du fil conducteur comprenant chacune une paire de barres paralleles connectées pour produire des forces électromotrices impulsionnelles positives et négatives qui forment un point de passage à zéro a chaque fois qu'une branche du fil conducteur est croisée par au moins un aimant, les points de passage à zéro étant détectables avec plus de précision. La première branche et la troisième branche peuvent s'étendre parallèlement l'une à l'autre, et les première, deuxième et troisième branches peuvent faire entre elles un angle sensiblement de 45 par rapport à l'axe de rotation. Les extrémités des branches peuvent être espacées circonférentiellement pour réduire le recouvrement et 1 o l'annulation des forces électromotrices impulsionnelles provenant de branches adjacentes. L'elément tournant peut être un rotor ou un compresseur de flux axial ou une turbine, l'aimant, dont on a dit qu'iïly en avait au moins un, étant monté au sommet de l'une des pales du rotor et étant au moins partiellement entouré par le fil conducteur. La présente invention va maintenant être décrite plus complètement en référence aux dessins ci-joints, sur lesquels: - la figure 1 est une vue partiellement écorchée d'un moteur à turbine à gaz montrant un dispositif pour détecter le déplacement axial d'un élément tournant selon la présente invention. - la figure 2 est une vue agrandie en coupe d'une partie du compresseur du moteur à turbine à gaz représenté sur la figure 1 et le dispositif pour détecter le déplacement axial d'un élément tournant comprenant un aimant et un fil conducteur. - la figure 3 est une vue en plan d'un fil conducteur destiné à être utilisé dans le dispositif pour détecter le mouvement axial d'-un élément tournant. - les figures 4 et 5 montrent les évolutions temporelles de la tension de sortie du fil conducteur, ou un signal de sortie typique tel qu'on puisse en voir un sur un oscilloscope. la figure 6 est une vue en plan agrandie du fil conducteur. Un moteur à turbine à gaz 10 est représenté sur la figure 1 et comprend en série par rapport à l'écoulement une entrée 12, une soufflante 14, un compresseur 20, un système de combustion 24, une turbine '26 et une tuyère d'échappement 28. -Un carter de soufflante 16 entoure la soufflante 14 et forme un conduit de dérivation 18 avec une portion du carter extérieur 34 du compresseur 20. Le compresseur 20 comprend un rotor 30 portant plusieurs étages espacés axialement d'aubes de stator 38. Les étages de pales 32 et d'aubes 38 étant disposés axialement alternativement. Un dispositif 40 pour détecter le déplacement axial du rotor 30 comprend un aimant 44 monté sur le sommet 42 d'une des pales de rotor 32, et un fil conducteur 48 espacé radialement du sommet 42 des pales de rotor 32 est positionné à l'intérieur d'une rainure annulaire 46 1 o pratiquée sur la surface intérieure du carter intérieur 36, comme représenté sur la figure 2. Le fil conducteur 48 est représenté plus clairement sur la figure 3 et comprend une première branche 50, une deuxième branche 52 et une troisième branche 54 qui sont reliées en série et qui s'étendent avec des composantes axiales et circonférentielles. Comme on peut le voir, la première branche 50 et la troisième branche 54 s'étendent dans une direction circonférentielle opposée à celle de la deuxième branche 52, et les première et troisième branches sont parallèles, bien que cela ne soit pas nécessaire. Chacune des trois branches est formée à partir d'une paire de barres parallèles 50a, 50b, 52a, 52b et 54a, 54b respectivement qui sont reliées en série l'une à l'autre par une extrémité. Le fil conducteur a des bornes de sortie 56 prises sur les branches 50 et 54. Le fil conducteur est couché sur ou dans un matériau isolant 58, par exemple une piste de cuivre de forme requise pourrait être formée sur un film polyimide recouvert de cuivre, tel que du Kapton (nom de marque de Dupont), utilisant la technologie des planches de circuit imprimées c'està-dire en décapant le cuivre indésirable du film polyimide. La piste de cuivre pourrait alors être recouverte d'une autre couche de film polyimide, et le film polylmide avec la piste de cuivre peut être fixé dans les rainures annulaires 46, dans le carter intérieur 36 en utilisant un adhésif epoxy, tel que le M-Bond 610 (nom de marque) ou tout autre adhésif adapté. Les rainures annulaires peuvent être formées a partir de revêtements pouvant être abrasés dans le carter intérieur. Une planche de circuit en plastique renforcée par du verre, ou tout autre matériau Isolant adapté pourrait être utilisé au lieu du film polyamide, et tout matériau conducteur de J'électricité adapté pourrait être utilisé pour former le fil conducteur. Le polyimide et l'adhésif epoxy ont été choisis parce qu'ils se comportent de façon satisfaisante à des températures allant jusqu'à 350eC, ces températures étant rencontrées dans le compresseur d'un moteur à turbine à gaz. En fonctionnement, lorsque le rotor de compresseur tourne, l'aimant 44 positionné dans le sommet 42 de l'une des pales 32 passe à proximité du fil conducteur 48 produisant une force électromotrice impulsionnelle dans le fil conducteur à chaque fois que l'aimant croise le fil conducteur. L'aimant croise les branches 50, 52 et 54 successivement, à chaque fois que l'aimant croise une branche il croise les deux barres respectives pour produire une force électromotrice impulsionnelle positive et une force électromotrice impulsionnelle négative. Ces impulsions de force électromotrice positives et négatives se combinent ensemble pour produire un point de passage à zéro 60 entre elles comme représenté sur la figure 4. Les points de passage à zéro sont beaucoup plus facile à détecter, soit visuellement sur un oscilloscope, soit de façon électronique, que de simples impulsions de force électromotrice. Si le rotor reste fixe axialement, l'aimant suit le trajet A, par exemple, et un signal de sortie provenant des bornes de sortie et délivré à un oscilloscope apparaîtrait tel que représenté sur la figure 4. Les forces électromotrices impulsionnelles et les points de passage à zéro provenant de chaque branche restent à un intervalle de temps fixe les uns entre les autres lorsque le moteur tourne à vitesse constante. L'intervalle de temps entre le point de passage à zéro provenant de la première branche et le point de passage à zéro provenant de la deuxième branche est TI, et l'intervalle de temps entre le point de passage à zéro provenant de la première branche et le point de passage à zéro provenant de la troisième branche est T2. De par la géométrie du fil conducteur, la largeur axiale du fil conducteur est D et la position de l'aimant suivant le trajet A sera S comme représenté sur la figure 6. La largeur D est déterminée par extrapolation des lignes centrales des branches 50, 52 et 54 jusqu'à ce qu'elles se croisent aux points X et Y, et D est la distance axiale entre les points de croisement. La position axiale de l'aimant est déterminée à partir de l'équation (T I/T2) x D = S. Ceci est valable au centre du fil, mais cesse de lêtre aux extrémités, il est alors nécessaire d'utiliser des techniques d'étalonnage. Puisque les branches sont inclinées a 45- par rapport à la direction axiale, S est une mesure de la position axiale de l'aimant et du 1 o rotor par rapport au sommet du fil conducteur, comme représenté. Si le rotor se déplace axialement, l'aimant suit un autre chemin, le chemin B par exemple comme représenté sur la figure 3, et un signal de sortie tel que fourni depuis les bornes de sortie apparaîtrait comme sur la figure 5 sur un oscilloscope. L'intervalle de temps T2 reste le 1 5 même, mais l'intervalle de temps entre le point de passage à zéro provenant de la première branche et le point de passage à zéro provenant de la deuxième branche devient TI'. Pour obtenir la nouvelle position axiale de l'aimant et du rotor T 1' est remplacé par T 1 dans les équations ci-dessus. Les branches 50, 52 et 54 sont toutes inclinées avec le même angle par rapport à l'axe du rotor pour obtenir une force électromotrice impulsionnelle d'amplitude égale, et les première et troisième branches sont inclinées dans la direction opposée à celle de la deuxième branche de sorte que les forces électromotrices impulsionnelles provenant de la première et de la troisième branche varient dans le temps avec la position axiale de l'aimant, dans le sens opposé à la force électromotrice impulsionnelle provenant de la deuxième branche, ce qui double la résolution. Le choix de l'angle pour les branches est un compromis entre la résolution théorique et la détection d'impulsion. Lorque l'angle des branches par rapport à l'axe du rotor augmente la résolution augmente mais les forces électromotrices impulsionnelles deviennent plus étalées et plus difficiles à détecter. 45' est un compromis entre les deux. Les bornes de sortie du fil conducteur peuvent être reliées à un amplificateur qui produit un signal amplifié qui peut être affiché sur un oscilloscope pour produire une trace similaire à celle représentée sur les figures 4 et 5. Le signal n'a pas besoin d'être filtré comme cela était nécessaire dans l'art antérieur. Les points de passage à zéro peuvent être détectés de façon électronique et des impulsions numériques peuvent être produites, celles-ci peuvent être fournies à des horloges et à un microprocesseur, et peuvent être alors utilisées pour calculer la position axiale de l'aimant à partir d'une référence adaptée comme décrit ci-dessus. Le dispositif pour détecter le déplacement axial d'un élément tournant tel que décrit a plusieurs avantages sur l'art antérieur. Le dispositif produit un point de passage à zéro qui est plus facile à détecter et plus précis qu'un pic, et permet également l'utilisation de dispositifs électroniques pour déterminer les points de passage à zéro. Les inclinaisons des branches dans des directions opposées augmentent la résolution du dispositif. La détection améliorée des points de passage à zéro permet l'utilisation d'un dispositif avec des jeux radiaux I:us importants, et réduit ainsi les probabilités de détérioration de la bande, ou le dispositif pourrait être utilisé lorsque la vitesse de rotation du rotor est relativement basse. A des vitesses de rotation basses, les impulsions de force électromotrice produites par le passage de l'aimant tombent à des valeurs inférieures à lOIlV, mais la détection des points de passage à zéro est toujours possible, et ainsi les équipements de traitement de signal limitent la vitesse limite inférieure à 160 tours par minute. REVENDICATIONS I - Dispositif pour détecter le déplacement axial d'un élément tournant comprenant un fil conducteur espacé radlalement de l'élément tournant, I'élément tournant ayant au moins un aimant qui lorsqu'il tourne passe à proximité du fil conducteur produisant une force électromotrice impulsionnelle dans le fil conducteur à chaque fois que l'aimant croise le fil conducteur, caractérisé en ce que le fil conducteur (48) comprend une première branche (50), une deuxième branche (52) et une troisième branche (54) reliées ensemble et s'étendant avec des composantes axiales et circonférentielles, la première branche (50) et la troisième branche (54) s'étendant dans la direction circonférentlellement opposée à la deuxième branche (52) pour augmenter la résolution entre les forces électromotrices impulslonnelles produites lorsque l'aimant (44) croise la première, la deuxième et la troisième branches, l'intervalle de temps entre les forces électromotrices Impulsionnelles variant et étant Indicatif de la position axiale de l'élément tournant, les première, deuxième et troisième branches du fil conducteur comprenant chacune une paire de barres parallèles connectées (50a, 50b, 52a, 52b, 54a, 54b) pour produire des forces électromotrices impulslonnelles positives et négatives qui forment un point de passage a zéro (60) à chaque fols qu'une branche du fil conducteur est croisée par l'aimant, les points de passage à zéro étant détectables avec plus de précision. 2 - Dispositif pour détecter le déplacement axial d'un élément tournant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première branche et la deuxième branche s'étendent parallèlement l'une à l'autre. 3 - Dispositif pour détecter le déplacement axial d'un élément tournant selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les première, deuxième et troisième branches sont Inclinees sensiblement à 45 par rapport à l'axe de rotation. 4 - Dispositif pour détecter le déplacement axial d'un élément tournant selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que les extrémités des branches sont espacées circonférentiellement pour réduire le recouvrement et l'annulation des forces électromotrices impulsionnelles provenant de branches adjacentes. - Dispositif pour détecter le déplacement axial d'un élément tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément tournant est le rotor d'une turbine ou d'un compresseur de flux axial, l'aimant étant monté au sommet de l'une des pales du rotor et étant au moins partiellement entouré par le fil conducteur.