Brevet FR2897894A1 — publié le 20070831

B07-0467FR 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Capteur isotherme à dégivrage Invention de : KUZNAR Ronald Joseph Priorité d'une demande de brevet déposé aux Etats-Unis d'Amérique le 28 février 2006 sous le n 11/363.772 2 CAPTEUR ISOTHERME A DEGIVRAGE La présente invention concerne d'une façon générale les turbines à gaz et, plus particulièrement, des capteurs de température et de pression servant à mesurer la température et la pression à l'entrée d'un compresseur. Dans certaines turbines à gaz pour avions et des turbines de type dérivé des modèles pour avions, on utilise des capteurs pour mesurer la température et la pression de l'air à l'entrée du compresseur. Des mesures précises de la température et de la pression d'entrée sont très importantes, car les mesures servent à établir la commande de la géométrie variable des stators dans le compresseur. Dans certaines conditions de fonctionnement de réacteurs d'avions, du givre peut s'accumuler sur le capteur de température et de pression d'entrée. L'accumulation du givre nuit à la précision des mesures de température et de pression effectués par les capteurs, et la chute de masses de glace ainsi accumulées dans le compresseur risque d'occasionner un endommagement des aubes du compresseur. Un caloduc est un dispositif de transfert de chaleur utilisant un cycle d'évaporation et de condensation pour transférer de la chaleur depuis une région chaude ou d'arrivée de chaleur vers une région froide ou de départ de chaleur du dispositif avec une chute de température minime. Un type de caloduc comprend un récipient fermé, sous pression, à l'intérieur duquel une couche de matière absorbante par capillarité s'étend depuis la région d'arrivée de chaleur jusqu'à la région de départ de chaleur et est saturée en un liquide vaporisable compatible. Le volume interne du récipient fermé, sous pression, est mis sous pression à une valeur fixe qui établit la température de saturation du liquide. Le choix du liquide vaporisable repose sur ses caractéristiques de vaporisation et de condensation connues à sa pression et sa température de saturation, en particulier d'après ses caractéristiques de vaporisation et de condensation à la pression choisie pour le récipient fermé, sous pression. La température habituelle de l'environnement dans lequel il est destiné à servir est prise en compte pour choisir le récipient, le liquide et la matière absorbante par capillarité. La chaleur appliquée à la région d'arrivée de chaleur du récipient fermé, sous pression vaporise le liquide. La vapeur qui en résulte circule jusqu'à la région de départ de chaleur du récipient, où le liquide cède de la chaleur à la paroi du récipient et condense pour passer en phase liquide. Le liquide condensé est renvoyé vers la région d'arrivée de chaleur par capillarité au moyen de la matière absorbante. Le cycle de chauffage et de condensation se répète en continu pour maintenir une tension presque constante à l'intérieur du caloduc et une relation de température stable entre la région d'arrivée de chaleur et la région de départ de chaleur. Une sonde contenant des capteurs de température et de pression est protégée contre l'accumulation de givre par un caloduc en relation d'échange de chaleur avec la sonde. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de détection to isotherme de température et de pression pour turbine à gaz, comprenant : un pylône, une sonde supportée par ledit pylône, un caloduc disposé de manière à échanger de la chaleur avec une extrémité amont dudit pylône, et un tuyau d'alimentation en fluide disposé de manière à réaliser un échange de chaleur avec ledit caloduc. Préférentiellement, ladite sonde comprend : un capteur de température, un 15 capteur de pression, une protection entourant ledit capteur de température et ledit capteur de pression, un orifice d'entrée de pression ménagé à travers ladite protection, en communication d'écoulement avec ledit capteur de pression, et un espace dans ladite protection entourant ledit capteur de température. Préférentiellement, ledit caloduc comprend : 20 - un volume fermé, sous pression, disposé au voisinage immédiat de ladite extrémité amont dudit pylône ; - une matière absorbante par capillarité disposée sur des surfaces intérieures dudit volume fermé, sous pression ; et - un liquide vaporisable contenu à l'intérieur dudit volume fermé, sous pression. 25 Préférentiellement, ledit tuyau d'alimentation en fluide comporte une paroi réalisant un échange de chaleur avec une paroi chauffée dudit volume fermé, sous pression. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un capteur isotherme de température et de pression pour compresseur de turbine à gaz, comprenant : 30 - un pylône faisant saillie depuis un organe formant stator jusque dans un circuit d'écoulement à l'entrée du compresseur et agencé de façon que la surface axialement vers l'avant dudit pylône comporte une surface extérieure d'un caloduc ; - un tuyau d'alimentation en fluide disposé au voisinage immédiat et en relation d'échange de chaleur avec une paroi d'un volume fermé, sous pression et ayant un 35 orifice d'entrée de fluide et un orifice de sortie de fluide ; - une sonde faisant saillie de manière radiale depuis ledit pylône jusque dans ledit circuit d'écoulement à l'entrée du compresseur ; - un capteur de température disposé à l'intérieur de ladite sonde ; et - un capteur de pression disposé à l'intérieur de ladite sonde. Préférentiellement, ledit caloduc comprend un volume fermé, sous pression constituant un caloduc contenant un liquide vaporisable et comportant une région formant évaporateur et une région formant condenseur et une matière absorbante par capillarité disposée sur la surface intérieure dudit volume fermé. Préférentiellement, ladite paroi dudit tuyau d'alimentation en chaleur est disposée au voisinage immédiat et en relation d'échange de chaleur avec une paroi dudit volume fermé, sous pression dans une région formant évaporateur dudit caloduc. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé pour dégivrer un capteur de température et de pression, comprenant les étapes consistant à : - disposer un caloduc de manière à réaliser un échange de chaleur avec une sonde contenant un capteur de température et un capteur de pression ; et - envoyer un fluide chauffé dans un tuyau d'alimentation en fluide réalisant un échange de chaleur avec ledit caloduc. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : la Fig. 1 est une vue schématique en coupe transversale d'une turbine à gaz équipée d'un capteur isotherme ; la Fig. 2 est une vue schématique en élévation latérale d'une forme de réalisation d'un capteur isotherme de température ; la Fig. 3 est une vue schématique en élévation latérale d'une sonde comportant un caloduc ; la Fig. 4 est une vue schématique en élévation latérale en coupe transversale 30 d'une sonde comportant un caloduc ; et la Fig. 5 est une vue schématique en coupe transversale d'un caloduc pour capteur isotherme de température et de pression, prise suivant la ligne 5-5 de la Fig. 4. La Fig. 1 est une vue schématique en coupe transversale en élévation d'une turbine à gaz 10, comprenant une soufflante 12, un surpresseur 14, un compresseur 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20 et une turbine basse pression 22 en communication d'écoulement axial autour d'un axe longitudinal 24. Le carter 26 de soufflante est supporté par une pluralité de mâts 28 qui s'étendent radialement depuis un organe formant stator 30. Une sonde 32 est disposée axialement en avant de l'entrée 34 du compresseur en faisant saillie radialement depuis ledit organe formant stator 30 jusque dans le circuit d'écoulement d'entrée de compresseur, indiqué par la flèche 36. La sonde 32 contient des capteurs servant à mesurer la température et la pression de l'air entrant dans le circuit d'écoulement du coeur du réacteur, représenté par des flèches 36, 38, 40, 42 et 44. Pendant le fonctionnement du réacteur, comme indiqué par la flèche 46, de l'air est entraîné jusqu'à l'entrée 48 de la soufflante par la soufflante 72 et se divise en un flux 50 de soufflante sortant du conduit de dérivation 52 de soufflante, comme indiqué par la flèche 54, et en un flux de coeur de réacteur se propageant en suivant le circuit du coeur de réacteur, comprenant un flux de surpresseur, indiqué par la flèche 36, un flux de compresseur indiqué par la flèche 38, un flux de turbine haute pression indiqué par la flèche 40, un flux de turbine basse pression indiqué par la flèche 42 et un flux d'échappement de réacteur indiqué par la flèche 44. Lorsqu'un avion propulsé par le réacteur 10 fonctionne à certains régimes, notamment au cours d'une descente à une faible vitesse de rotation du réacteur, la température et l'humidité de l'air ont tendance à provoquer une accumulation de givre sur la sonde 32, ce qui risque de nuire à la précision des mesures de température et de pression réalisés par les capteurs à l'intérieur de la sonde 32. Empêcher l'accumulation de givre sur la sonde améliore la précision des mesures faits par les capteurs et évite un endommagement des aubes du compresseur par des morceaux de glace qui risquent de se détacher de la sonde et d'être entraînés à l'intérieur du compresseur. La Fig. 2 est une vue schématique en élévation latérale de la sonde 32 comprenant une protection 60 de capteur supportée par un pylône 62 reposant sur un pied 64, et une bride 66 supportant la sonde 32. Une protection 68 à trois côtés entoure le capteur 70 de température et est ouverte vers l'amont pour exposer le capteur 70 de température au flux d'air. Une protection 72 est disposée en amont du capteur 70 de température pour protéger le capteur 70 de température contre d'éventuels impacts de particules entraînées dans le flux d'air pénétrant dans l'entrée 34 du compresseur. La protection 72 est reliée à la protection 68 à trois côtés et est espacée de la protection 68 à trois côtés par un espace 74 et est fixée par un couvercle 76 de conduite de pression pour permettre un contact de l'air avec le capteur 70 de température. Un orifice d'entrée 78 de pression d'arrêt, ménagé à travers la protection 72, permet un écoulement d'air jusqu'à un élément (non représenté) de détection de pression. Le pylône 62 comporte un raccord de pression 84 pour relier l'orifice d'entrée 78 de pression d'arrêt à un élément (non représenté) de détection de pression et à des dispositifs de mesure distants (non représentés), un raccord 86 pour mesures totales de température et un raccord 88 de pression statique. Des fentes 90 ménagées dans la paroi avant 92 du pylône 62 peuvent servir à faire entrer un flux d'air à l'intérieur du pylône 62 pour qu'il vienne au contact d'un élément (non représenté) de détection de pression. La Fig. 3 est une vue schématique en élévation d'un capteur isotherme de température et de pression d'entrée de compresseur, monté à l'intérieur d'une sonde 32 et supporté par un pylône 62 équipé d'un caloduc 100. Un caloduc 100 est disposé à l'extrémité amont 101 du pylône 62 et du pied 64 et est disposé de manière à réaliser des échanges de chaleur avec ladite sonde 32. Un orifice d'entrée 120 et un orifice de sortie 122 de fluide créent un trajet d'écoulement pour de l'air chauffé ou un autre fluide afin de chauffer le caloduc 100. La Fig. 4 est une vue en coupe transversale du pylône et de la structure du caloduc disposée en amont du pylône. Le caloduc 100 comprend un volume fermé, sous pression 102 comportant une cloison 110 disposée au voisinage immédiat du pylône 62, une cloison basale 104 disposée au voisinage immédiat du pied 64, et une surface de paroi chauffée 108. Les surfaces intérieures 112, 114 et 116 du volume fermé, sous pression 102 sont couvertes par une matière absorbante par capillarité. La surface de paroi chauffée 108 constitue la paroi extérieure d'un tuyau d'alimentation 118 en fluide ayant un orifice d'entrée 120 et un orifice de sortie 122. Un liquide vaporisable 124 est disposé à l'intérieur du volume fermé, sous pression 102. Le liquide vaporisable 124 est choisi en fonction de ses caractéristiques de chaleur latente de vaporisation, de tension superficielle et de transfert thermique requis afin de maintenir la température superficielle du capteur au-dessus du point de congélation afin d'empêcher l'accumulation de givre. La Fig. 5 est une vue en coupe transversale du caloduc 100 prise suivant la ligne 5-5 de la Fig. 4. Le caloduc 100 a une paroi avant arquée 130 et une paroi arrière arquée 132, la surface intérieure de chacune d'elles étant couverte par de la matière absorbante par capillarité 134. Une pluralité de gorges 136 s'étendant sur chaque surface 138 et 140 constituent une surface capillaire pour favoriser le mouvement du Liquide vaporisable par capillarité à l'intérieur du caloduc 100. Le caloduc peut utiliser d'autres matières capillaires, notamment des tissus compatibles avec le liquide vaporisable et supportant les conditions de chauffage, et compatibles avec le liquide vaporisable utilisé. Pendant le fonctionnement de la turbine à gaz 10, de l'air ou un autre fluide chauffé est envoyé dans le tuyau d'alimentation 118 en fluide depuis une source telle qu'un étage choisi du compresseur ou depuis la sortie de refoulement du compresseur. La chaleur du fluide dans le tuyau d'alimentation 118 en fluide, Fig. 4, est transmise à travers la paroi 144 du tuyau d'alimentation 118 en fluide et la surface de paroi chauffée 108 et est absorbée par une région formant évaporateur à l'intérieur du pied 64 pour porter à ébullition le liquide vaporisable 124. L'ébullition crée de la vapeur qui remplit l'intérieur du volume fermé, sous pression 102 du caloduc 100, l'intérieur du caloduc servant de région formant condenseur où la vapeur se condense et se rassemble sur les surfaces intérieures 112, 114 et 116, et est entraînée par capillarité pour revenir à la région formant évaporateur adjacente à la surface de paroi chauffée 108 pour poursuivre le cycle de vaporisation/condensation. Ce cycle de vaporisation/condensation maintient la température de la surface extérieure 146 du caloduc 100 à une valeur sensiblement constante supérieure au point de congélation et empêche de ce fait l'accumulation de givre. Les éléments de détection sont maintenus à une température qui permet de faire des mesures précises. s CAPTEUR ISOTHERME A DEGIVRAGE LISTE DES REPERES 10 Turbine à gaz 12 Soufflante 14 Surpresseur 16 Compresseur 18 Chambre de combustion 20 Turbine haute pression 22 Turbine basse pression 24 Axe longitudinal 26 Carter de soufflante 28 Mâts 30 Organe formant stator 32 Sonde 34 Entrée du compresseur 36 Flèche 38 Flèche 40 Flèche 42 Flèche 44 Flèche 46 Flèche 48 Entrée de soufflante 50 Flux de soufflante 52 Conduit de dérivation de soufflante 54 Flèche 60 Protection de capteur 62 Pylône 64 Pied 66 Bride 68 Protection à trois côtés 70 Capteur de température 72 Protection 74 Espace 76 Couvercle de conduite de pression 78 Orifice d'entrée de pression d'arrêt 84 Raccord de pression 86 Raccord de mesure de température 88 Raccord de pression statique 90 Fentes 92 Paroi avant 100 Caloduc 101 Extrémité amont 102 Volume sous pression 104 Paroi basale 108 Surface de paroi chauffée 110 Cloison 112 Surfaces intérieures 114 Surfaces intérieures 116 Surfaces intérieures 118 Tuyau d'alimentation en fluide 120 Orifice d'entrée 122 Orifice de sortie 124 Liquide vaporisable 130 Paroi avant arquée 132 Paroi arrière arquée 134 Matière absorbante par capillarité 136 Gorges 138 Surface 140 Surface 144 Paroi 146 Surface extérieure REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection isotherme de température et de pression pour turbine à gaz (I0), comprenant : un pylône (62) ; une sonde (32) supportée par ledit pylône ; un caloduc (100) disposé de manière à échanger de la chaleur avec une extrémité amont (101) dudit pylône ; et un tuyau d'alimentation (118) en fluide disposé de manière à réaliser un o échange de chaleur avec ledit caloduc. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel Iadite sonde (32) comprend : un capteur (70) de température ; un capteur de pression ; 15 une protection (72) entourant ledit capteur de température et ledit capteur de pression ; un orifice d'entrée (78) de pression ménagé à travers ladite protection, en communication d'écoulement avec ledit capteur de pression ; et un espace (74) dans ladite protection entourant ledit capteur de température. 20 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ledit caloduc (100) comprend : un volume fermé, sous pression (102) disposé au voisinage immédiat de ladite extrémité amont (101) dudit pylône (62) ; une matière absorbante par capillarité (134) disposée sur des surfaces 25 intérieures (114, 116, 118) dudit volume fermé, sous pression ; et tin liquide vaporisable contenu à l'intérieur dudit volume fermé, sous pression. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans Iequel ledit tuyau d'alimentation (118) en fluide comporte une paroi réalisant un échange de chaleur avec une paroi 30 chauffée (110) dudit volume fermé, sous pression (102). 5. Capteur isotherme de température et de pression pour compresseur (16) de turbine à gaz, comprenant : un pylône (62) faisant saillie depuis un organe formant stator (30) jusque dans un circuit d'écoulement à l'entrée (34) du compresseur et agencé de façon que lasurface axialement vers l'avant dudit pylône comporte une surface extérieure (146) d'un caloduc (100) ; un tuyau d'alimentation en fluide disposé au voisinage immédiat et en relation d'échange de chaleur avec une paroi d'un volume fermé, sous pression et 5 ayant un orifice d'entrée de fluide et un orifice de sortie de fluide ; une sonde (32) faisant saillie de manière radiale depuis ledit pylône jusque dans ledit circuit d'écoulement à l'entrée du compresseur ; un capteur (70) de température disposé à l'intérieur de ladite sonde ; et un capteur de pression disposé à l'intérieur de ladite sonde. 10 6. Capteur isotherme selon la revendication 5, dans lequel ledit caloduc (100) comprend : un volume fermé, sous pression (102) constituant un caloduc contenant un liquide vaporisable et comportant une région formant évaporateur et une région formant condenseur et une matière absorbante par capillarité (134) disposée sur la 15 surface intérieure (114, 116, 118) dudit volume fermé. 7. Capteur isotherme selon la revendication 6, dans Iequel ladite paroi dudit tuyau d'alimentation en chaleur est disposée au voisinage immédiat et en relation d'échange de chaleur avec une paroi dudit volume fermé, sous pression (102) dans une région formant évaporateur dudit caloduc (100). 20 8. Procédé pour dégivrer un capteur de température et de pression, comprenant les étapes consistant à : disposer un caloduc (100) de manière à réaliser un échange de chaleur avec une sonde contenant un capteur (70) de température et un capteur de pression ; et envoyer un fluide chauffé dans un tuyau d'alimentation en fluide réalisant un 25 échange de chaleur avec ledit caloduc.