Brevet FR2894025A1 — publié le 20070601

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général de la mesure des efforts hydrodynamiques s'exerçant sur une pompe centrifuge en fonctionnement. Les pompes centrifuges à fluide (gaz ou liquide) sont utilisées dans de nombreux domaines, notamment dans les turbomachines aéronautiques pour l'injection du carburant. Typiquement, ces pompes comportent un carter formant enveloppe à l'intérieur duquel tourne un rotor ou turbine portant plusieurs aubes. Le rotor est entraîné par un arbre qui est supporté en rotation dans le stator par plusieurs paliers et butées. En fonctionnement, ce type de pompe est soumis à de nombreux efforts hydrodynamiques pouvant engendrer des dégradations sur les paliers et butées de support de l'arbre de la pompe. Aussi, afin d'optimiser le conditionnement des paliers et butées en charge du maintien de l'arbre, des mesures de ces efforts sont pratiquées sur banc d'essai. Il est connu que les efforts hydrodynamiques s'exerçant sur une pompe centrifuge en fonctionnement présentent une composante axiale et une composante radiale du fait de la répartition des pressions autour du rotor de la pompe. Or, ces efforts sont difficiles à mesurer pendant le fonctionnement de la pompe. En effet, les mesures d'efforts ne doivent pas entraver le bon fonctionnement de la pompe notamment en perturbant l'écoulement du fluide pompé. Ainsi, l'utilisation de capteurs telles que les jauges de contrainte qui sont montées dans le canal d'écoulement du fluide de la pompe n'est pas pleinement satisfaisante pour la réalisation des mesures d'efforts hydrodynamiques. On connaît également du document FR 2,733,592 un procédé de détermination des conditions de travail instantanées d'une pompe centrifuge. Ce procédé consiste à mesurer la force radiale résultante qui s'exerce sur l'arbre de la pompe et à comparer ces mesures à des valeurs antérieures. Or, les efforts hydrodynamiques mesurés par un tel procédé ne se caractérisent que par leur composante radiale et sont donc incomplets. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un procédé et un dispositif permettant d'obtenir simultanément les composantes axiales et radiales des efforts hydrodynamiques s'exerçant sur la pompe centrifuge en fonctionnement tout en évitant de perturber le bon fonctionnement de celle-ci. A cet effet, il est prévu un procédé de mesure d'efforts hydrodynamiques s'exerçant sur une pompe centrifuge en fonctionnement qui comporte un rotor, un arbre d'entraînement du rotor et au moins un palier de support en rotation de l'arbre dans un stator, caractérisé en ce qu'il consiste à positionner au moins trois capteurs d'efforts axiaux au niveau du stator de la pompe, les capteurs étant répartis autour d'un axe de rotation du rotor de la pompe et, à partir des efforts axiaux mesurés par les capteurs, calculer l'intensité, la direction et le sens des efforts axiaux et radiaux s'exerçant simultanément sur la pompe centrifuge. Les capteurs utilisés sont positionnés au niveau du stator de la pompe ce qui rend le procédé de mesure non intrusif par rapport au fonctionnement de celle-ci. Par ailleurs, en fonctionnement, chaque capteur répond à une unique sollicitation axiale qui se compose, d'une part de l'effort axial pur de la pompe, et d'autre part de l'effort radial qui se répercute de façon axiale sur le capteur par effet de couple. Aussi, à l'aide d'une simple décomposition par combinaison des efforts mesurés par les capteurs, le procédé permet de déterminer de façon simultanée l'intensité, la direction et le sens des efforts axiaux et radiaux s'exerçant sur la pompe centrifuge. En outre, les mesures d'efforts hydrodynamiques s'exerçant sur une pompe centrifuge peuvent être réalisées en dynamique comme en quasi-statique. Selon une caractéristique particulière de l'invention, les capteurs sont montés sur le stator de façon précontrainte afin de répondre aux sollicitations de compression et de traction. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les 35 capteurs sont positionnés autour de l'axe de rotation du rotor de la pompe à équidistance les uns des autres. L'invention a également pour objet un dispositif de mesure d'efforts hydrodynamiques s'exerçant sur une pompe centrifuge en fonctionnement qui comporte un rotor, un arbre d'entraînement du rotor et au moins un palier de support en rotation de l'arbre dans un stator, caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois capteurs d'efforts axiaux positionnés sur le stator de la pompe et répartis autour d'un axe de rotation du rotor de la pompe. Selon encore une autre caractéristique particulière de l'invention, les capteurs sont des capteurs de force à effet piézoélectrique. 10 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout 15 caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en coupe d'une pompe centrifuge munie d'un dispositif de mesure des efforts hydrodynamiques selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective, partielle et en éclaté du 20 support de palier de la pompe centrifuge de la figure 1 montrant l'emplacement des capteurs de mesure ; - la figure 3 est une vue partielle et en coupe du support de palier de la pompe centrifuge de la figure 1 ; et - les figures 4A et 4B sont des courbes montrant les efforts 25 axiaux et radiaux en fonction du débit d'écoulement du fluide pompé tels que mesurés par le procédé et le dispositif selon l'invention. Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 1 représente de façon partielle une pompe centrifuge 30 telle qu'utilisée pour l'alimentation en carburant d'une turbomachine aéronautique. Bien entendu, la présente invention s'applique à tout autre type de pompe centrifuge pour fluide (liquide ou gaz). La pompe centrifuge 10 se compose d'un logement fixe 12 à l'intérieur de laquelle est montée un rotor 14 (ou turbine) muni d'une 35 pluralité d'aubes 16. Une entrée 18 et une sortie 20 de fluide sont prévues dans le logement 12. Le rotor 14 de la pompe est entraîné en rotation au moyen d'un moteur 22 (par exemple électrique) par l'intermédiaire d'un arbre d'entraînement 24. La pompe centrifuge comporte également un ou plusieurs paliers 26 de support en rotation de l'arbre d'entraînement 24 dans un stator 28. Sur l'exemple de réalisation de la figure 1, deux paliers annulaires 26 espacés axialement remplissent cette fonction de support. Ces paliers 26 (par exemple lisses ou à roulements) sont montés sur le stator 28 de la pompe, ce dernier étant lui-même fixé sur le logement 12 de la pompe, par exemple par l'intermédiaire de vis de fixation 30. Comme notamment représenté sur les figures 2 et 3, le stator 28 de la pompe centrifuge présente une forme générale sensiblement tubulaire dont l'extrémité située du côté opposé à l'entrée de fluide dans la pompe comporte une collerette 32 destinée à venir en appui axial contre une paroi transversale 34 du logement 12 de la pompe. Les vis 30 de fixation du stator 28 sur le logement 12 de la pompe traversent la collerette 32 du stator et sont vissées dans la paroi transversale 34 du logement de la pompe. Selon l'invention, afin de mesurer les efforts hydrodynamiques s'exerçant sur la pompe centrifuge 10 lorsque celle-ci fonctionne, il est prévu de positionner au moins trois capteurs d'efforts axiaux 36 au niveau du stator 28 de la pompe. Ces capteurs 36 sont répartis autour de l'axe de rotation X-X du rotor 14 de la pompe et peuvent être disposés sensiblement dans un même plan transversal (par rapport audit axe de rotation X-X). Plus précisément, comme représenté sur les figures 2 et 3, les capteurs d'efforts 36 sont montés dans les alésages 38 traversés par les vis 30 de fixation du stator 28 sur le logement 12 de la pompe. En utilisant des passages existants pour l'emplacement des capteurs (à savoir les alésages pour les vis de fixation), on évite ainsi de procéder à des aménagements importants sur la pompe. Les capteurs d'efforts 36 sont positionnés de façon à répondre aux sollicitations axiales auxquelles est soumis l'arbre d'entraînement 24 ciu rotor 14 de la pompe. De préférence, les capteurs d'efforts 36 sont montés sur le 35 stator 28 de la pompe centrifuge de façon précontrainte afin de répondre aussi bien aux sollicitations de compression qu'aux sollicitations de traction. Les capteurs d'efforts sont de préférence des capteurs de force de type à effet piézoélectrique. Ce type de capteur est bien connu en soi et ne sera donc pas décrit en détail. De façon générale, un tel capteur comporte un (ou plusieurs) élément piézoélectrique (par exemple un quartz) recouvert d'électrodes métalliques. En fonction des forces s'exerçant sur le capteur d'efforts, l'élément piézoélectrique transforme ces contraintes mécaniques en signaux électriques. Ces signaux électriques sont acheminés à une unité de calcul (non représentée) dans laquelle ils sont traités. Un conduit 40 relie chaque capteur d'efforts 36 à une chaîne d'amplification et d'acquisition (non représentée) et à l'unité de calcul. On notera en outre que le capteur d'efforts 36 est traversé de part en part par la vis de fixation. Enfin, le capteur d'efforts 36 peut être monté entre des entretoises d'appui 42. Par rapport à d'autres capteurs d'efforts connus (tels que des jauges de contraintes par exemple), l'utilisation de capteurs à effet piézoélectrique présente les avantages de posséder une grande rigidité, de bonnes performances face aux sollicitations dynamiques et d'être bien moins coûteux. Par ailleurs, on notera que le nombre de capteurs d'efforts doit être au moins égal à trois mais qu'il peut être supérieur. En outre, les capteurs d'efforts sont positionnés autour de l'axe de rotation du rotor de la pompe de préférence à équidistance les uns des autres (même si cela n'est pas indispensable). Au niveau de l'unité de calcul, les signaux électriques recueillis par les trois capteurs d'efforts sont traités pour déterminer l'intensité, la direction et le sens des efforts axiaux et radiaux s'exerçant simultanément sur la pompe centrifuge. Un exemple de calcul de ces efforts est décrit ci-dessous. Les valeurs recueillies par les trois capteurs de force sont notées : FmA, FmB et Fmc ; où A, B et C schématisent les trois points représentant la position géométrique des trois capteurs. Selon un principe fondamental en mécanique, la somme des forces s'exerçant sur la pompe centrifuge est nulle, ce qui donne, en projection sur l'axe de rotation X-X du rotor : FX =FmA+FmB+F,nc (1) Par ailleurs, selon un autre principe de mécanique, la somme des moments des forces en un point O est nulle (O schématisant un point situé à la fois sur l'axe de rotation X-X et dans le plan d'emplacement des capteurs d'efforts). Ce principe se traduit, en projection sur des axes Y-Y et Z-Z (formant avec l'axe de rotation X-X un repère orthonormé), par les équations suivantes : FY = RA.F,,,A ùRB.cos(7rù).FmB ùRc.cos(93 -7c/2).Fmc 0G RB.sin(7rù).FmB ùRc.cos(93 -7r/2).Fmc FZ _ ù 0G dans lesquelles : RA, RB et Rc représentent la distance respective entre les points A et O, B et O et C et 0 ; 81 et 83 représentent les angles 20 entre les segments de droite respectifs (OA) et (OB) et (OA) et (OC) ; et 0G représente la distance axiale entre le plan transversal d'emplacement des trois capteurs et le plan transversal dans lequel est situé le stator de la pompe. Ces valeurs sont connues. A partir des équations (1), (2) et (3), il est alors possible de 25 calculer l'intensité, la direction et le sens des efforts axiaux (c'est-à-dire F4 et radiaux (c'est-à-dire Fyz) s'exerçant simultanément sur la pompe centrifuge. Les courbes des figures 4A et 4B illustrent les résultats obtenus par un tel procédé de mesure appliqué à une pompe centrifuge à 30 carburant de turbomachine aéronautique. Sur la figure 4A, les courbes 100, 102 et 104 représentent les efforts axiaux (en Newton) en fonction d'un débit de fluide pompé (en litres/heure). Les courbes 100, 102 et 104 sont obtenues pour des vitesses différentes de rotation du rotor. 35 Sur la figure 4B, il s'agit de courbes 106, 108 et 110 représentant les efforts radiaux également en fonction d'un débit de fluide (2) (3) pompé. Ces courbes 106, 108 et 110 sont également obtenues pour des vitesses différentes de rotation du rotor. A partir des efforts hydrodynamiques (axiaux et radiaux) ainsi mesurés, il est possible, d'une part de dimensionner les paliers et butées de la pompe centrifuge et/ou de valider les modes de calculs prédictifs, et d'autre part de s'assurer de la tenue des paliers d'un design existant. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure d'efforts hydrodynamiques s'exerçant sur une pompe centrifuge (10) en fonctionnement qui comporte un rotor (14), un arbre d'entraînement (24) du rotor et au moins un palier (26) de support en rotation de l'arbre (24) dans un stator (28), caractérisé en ce qu'il consiste à : - positionner au moins trois capteurs d'efforts axiaux (36) au niveau du stator (28) de la pompe, lesdits capteurs (36) étant répartis autour d'un axe de rotation (X-X) du rotor (14) de la pompe ; et - à partir des efforts axiaux mesurés par lesdits capteurs, calculer l'intensité, la direction et le sens des efforts axiaux et radiaux s'exerçant simultanément sur la pompe centrifuge. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les capteurs d'efforts (36) sont montés sur le stator (28) de façon précontrainte afin de répondre aux sollicitations de compression et de traction. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les 20 capteurs d'efforts (36) sont positionnés autour de l'axe de rotation (X-X) du rotor (14) de la pompe à équidistance les uns des autres. 4. Dispositif de mesure d'efforts hydrodynamiques s'exerçant sur une pompe centrifuge (10) en fonctionnement qui comporte un rotor 25 (14), un arbre d'entraînement (24) du rotor et au moins un palier (26) de support en rotation de l'arbre (24) dans un stator (28), caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois capteurs d'efforts axiaux (36) positionnés sur le stator (28) de la pompe et répartis autour d'un axe de rotation (X-X) du rotor (14) de la pompe. 30 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les capteurs d'efforts (36) sont des capteurs de force à effet piézoélectrique.