Brevet FR2927994A1 — publié le 20090828

Détection de surchauffe dans une turbomachine La présente invention concerne la détection de dépassements de température dans les turbomachines, telles que les turboréacteurs d'avion. Les turbines des turbomachines sont soumises aux températures élevées des gaz d'échappement, et encourent des risques de surchauffe accidentelle, c'est-à-dire de dépassement d'une température maximale admissible par les matériaux constituant ces turbines. Pour limiter les risques de surchauffe, les turbines comprennent en général des dispositifs de détection de dépassement de seuil de température fonctionnant à partir de chaînes de thermocouples. Un capteur à thermocouple comprend deux bornes et requiert pour fonctionner que l'une des bornes soit soumise à une température de référence, l'autre borne étant disposée à l'endroit où l'on souhaite mesurer la température. Ce type de détecteur de température présente toutefois d'importants inconvénients. En effet, il délivre des informations sous la forme de microcourants, et doit de ce fait être relié à un calculateur de la turbomachine via une interface pour la mise en oeuvre d'un traitement de l'information fournie par le détecteur, afin notamment de limiter l'impact du bruit dans le signal délivré. Un étalonnage préalable en température des thermocouples est nécessaire afin de relier la valeur de microcourant à une valeur de température. De plus, les thermocouples ne permettent pas à eux seuls la détection d'un seuil de température maximale admissible et c'est le calculateur qui doit effectuer cette opération. Par ailleurs, la réponse de ce type de détecteur n'est pas linéaire et évolue en fonction du temps de fonctionnement, ce qui limite considérablement la précision des mesures effectuées avec un tel détecteur et peut conduire à des erreurs de détection. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter les inconvénients précités. Elle a pour objet un dispositif de détection de seuil de température 5 tirant profit des capacités de déformation des matériaux à mémoire de forme en fonction de la température. Elle propose à cet effet un dispositif de détection de seuil de température, caractérisé en ce qu'il comprend un élément électroconducteur en matériau à mémoire de forme, destiné à être soumis 10 à une température à contrôler et à venir en contact avec une borne de passage d'un courant électrique ou à s'en écarter selon que la température est supérieure ou inférieure à une température de transition du matériau à mémoire de forme. L'élément électroconducteur en matériau à mémoire de forme 15 permet, en se déformant par un effet mémoire de forme, de modifier les conditions de passage du courant électrique dans la borne, et de fournir ainsi une information en tout ou rien relative au dépassement de la température de transition du matériau à mémoire de forme, ce qui ne nécessite pas une interprétation ultérieure par un calculateur. 20 L'invention présente en outre l'avantage de ne pas requérir d'étalonnage préalable en température, contrairement aux détecteurs à thermocouples, la température de transition du matériau à mémoire de forme jouant alors le rôle de température de référence. Selon une autre caractéristique de l'invention, la borne est reliée à 25 une sortie d'une source de courant, délivrant un courant continu ou alternatif, et l'élément en matériau à mémoire de forme est relié à une autre sortie de la source de courant. L'élément en matériau à mémoire de forme permet ainsi d'établir ou de rompre le contact entre les sorties de la source de courant, en se 30 déformant pour venir en contact avec la borne ou s'en écarter. En particulier, l'élément en matériau à mémoire de forme constitue un élément mobile d'un micro-commutateur d'un circuit de signalisation, le micro-commutateur comprenant de préférence un tube en matériau électroconducteur relié à une sortie de la source de courant et ayant une extrémité fermée par un fond destiné à former la borne de passage de courant électrique et une extrémité ouverte, un revêtement de matériau diélectrique recouvrant la paroi longitudinale interne du tube, et une rondelle de matériau diélectrique destinée à obturer l'extrémité ouverte du tube, l'élément en matériau à mémoire de forme étant logé à l'intérieur du tube et relié à l'autre sortie de la source de courant par une tige de matériau électroconducteur traversant la rondelle. Le micro-commutateur présente l'avantage d'être une pièce autonome particulièrement compacte et solide, tout en étant aisément remplaçable. Le revêtement de matériau diélectrique permet d'isoler électriquement la paroi longitudinale interne du tube. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, l'élément en matériau à mémoire de forme est un ressort hélicoïdal d'axe sensiblement parallèle à l'axe du tube et dont une extrémité est reliée à la tige de matériau électroconducteur tandis que l'autre extrémité est destinée à venir en contact avec le fond du tube ou à s'en écarter sous l'effet d'une déformation du ressort par un effet mémoire de forme. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'élément en matériau à mémoire de forme est une membrane disposée parallèlement à et à distance du fond du tube et qui comporte une partie périphérique fixée à la paroi interne du tube et reliée à la tige de matériau électroconducteur et une partie centrale destinée à venir en contact avec le fond du tube ou à s'en écarter sous l'effet d'une déformation de la membrane par un effet mémoire de forme. Dans un troisième mode de réalisation de l'invention, l'élément en matériau à mémoire de forme est un cylindre logé dans le tube et d'axe sensiblement parallèle à l'axe du tube et comprend une première face d'extrémité solidaire de la rondelle de matériau diélectrique et reliée à la tige de matériau électroconducteur, et une seconde face d'extrémité disposée à distance du fond du tube et comportant une partie centrale destinée à venir en contact avec le fond du tube ou à s'en écarter sous l'effet d'une déformation du cylindre par un effet mémoire de forme. L'invention concerne également une turbine équipée de dispositifs de détection du type décrit précédemment, ainsi qu'une turbomachine équipée d'au moins un dispositif de détection de ce type. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : û la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un dispositif de détection de seuil de température selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe partielle d'un dispositif de détection de seuil de température selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 est une vue en coupe partielle d'un dispositif de détection de seuil de température selon un troisième mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un micro-commutateur 10 d'un dispositif de détection de seuil de température destiné par exemple à être monté dans une aube creuse d'une turbine d'un turboréacteur d'avion, par exemple en lieu et place d'une chaîne de thermocouples du type utilisé habituellement dans l'art antérieur, pour assurer la détection de dépassements de température au sein de la turbine. Pour cela, l'invention propose d'utiliser la capacité de certains matériaux, appelés couramment matériaux à mémoire de forme, à changer de forme sous l'effet d'un changement de température, comme cela sera expliqué dans ce qui suit. Le micro-commutateur 10 comprend un boîtier externe, par exemple en forme de tube 12, réalisé dans un matériau électroconducteur, tel que du nickel. Le tube 12 comporte une extrémité fermée 14 et une extrémité ouverte 16, et est relié à une sortie d'une source de courant continu (non représentée), par exemple au moyen d'un fil électrique 18. L'extrémité fermée 14 du tube forme un fond électroconducteur 20 destiné à servir de borne de passage du courant électrique provenant de la source de courant. L'extrémité ouverte 16 du tube 12 est obturée par une rondelle 22 réalisée dans un matériau diélectrique, tel que de la céramique, et comportant un orifice 24 de passage d'une tige 26 de matériau électroconducteur dont la partie 28 externe au tube est reliée à l'autre sortie de la source de courant, par exemple par un fil électrique (non représenté), tandis que la partie 30 interne au tube présente une extrémité libre à laquelle est fixée une extrémité 31 d'un ressort hélicoïdal 32 dont l'axe coïncide sensiblement avec l'axe du tube, et dont l'autre extrémité 34 est libre et fait face au fond 20 du tube 12. Le ressort hélicoïdal 32 est réalisé dans un matériau à mémoire de forme susceptible de présenter un effet mémoire de forme simple, tel par exemple qu'un alliage de nickel et de titane ou un alliage de ruthénium et de tantale, et constitue l'élément mobile du micro-commutateur 10, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit. La paroi longitudinale interne du tube est recouverte d'une couche d'un matériau diélectrique 36, par exemple du même type que celui dont est composé la rondelle 22. Le micro-commutateur 10 et la source de courant à laquelle il est relié font partie d'un circuit électrique comprenant également un calculateur relié à des moyens de signalisation disposés dans le cockpit de l'avion et à des moyens de commande du régime de fonctionnement du turboréacteur. Le ressort 32 est destiné à se déformer par un effet mémoire de forme de sorte que son extrémité libre 34 vienne en contact avec le fond 20 du tube 12 pour fermer le circuit électrique comprenant la source de courant et le micro-commutateur 10, ou s'en écarte pour ouvrir le circuit électrique, lorsque la température passe au-dessus ou en-dessous d'une température de transition en phase austénitique du matériau à mémoire de forme, de manière à modifier l'état des moyens de signalisation et du calculateur auxquels le circuit électrique est raccordé. Pour la mise en oeuvre d'un effet mémoire de forme simple, le ressort 32 est préalablement soumis à une phase d'éducation dans laquelle il est dans un premier temps conformé dans une position d'extension 38 de sorte que son extrémité libre 34 se trouve en contact avec le fond 20 du tube, à une température supérieure à la température de transition du matériau à mémoire de forme de sorte que ce dernier se trouve en phase austénitique. Puis, dans un second temps, le ressort 32 est comprimé mécaniquement pour que son extrémité libre 34 s'écarte du fond 20 du tube, à une température inférieure à la température de transition précitée de sorte que le matériau à mémoire de forme se trouve alors en phase martensitique. Au terme de la phase d'éducation préalable du ressort 32, le micro-commutateur 10 est prêt pour assurer la détection du dépassement d'un seuil thermique correspondant à la température de transition du matériau à mémoire de forme. Un tel dépassement de température provoque en effet le passage du matériau à mémoire de forme en phase austénitique, entraînant la déformation du ressort 32 jusqu'à sa position d'extension 38 dans laquelle l'extrémité du ressort 34 est appliquée contre le fond 20 du tube 12 et ferme le circuit électrique, entraînant ainsi une modification de l'état du calculateur pour que ce dernier commande automatiquement une diminution du régime de fonctionnement du turboréacteur et/ou déclenche les moyens de signalisation de manière à avertir le pilote du dépassement de température. Le ralentissement du turboréacteur limite alors l'accroissement de la température dans la turbine et conduit même en général à un refroidissement de cette dernière. Après la détection d'un dépassement de température, le ressort 32 reste dans sa position d'extension 38 quelle que soit l'évolution ultérieure de la température, et doit subir une nouvelle phase d'éducation semblable à celle décrite ci-dessus pour pouvoir de nouveau fonctionner. Pour cette raison, le dispositif décrit précédemment est particulièrement bien adapté à la détection de dépassements de températures élevées de nature à endommager la turbine. Dans le cas d'un tel dépassement de température, le turboréacteur doit rapidement subir des opérations de maintenance pour vérifier l'état de la turbine et, le cas échéant, réparer les organes endommagés de cette turbine, et il est alors possible de procéder au remplacement du micro-commutateur 10 ou de faire subir une nouvelle phase d'éducation à son ressort 32 en matériau à mémoire de forme. Les positions d'extension et de compression du ressort 32 pourraient être inversées lors de la phase préalable d'éducation du ressort par rapport à ce qui a été décrit ci-dessus, la position d'extension correspondant alors à l'état martensitique du matériau à mémoire de forme tandis que la position de compression correspondrait à son état austénitique. Les rôles des positions d'ouverture et de fermeture du circuit électrique seraient alors également inversés, de sorte que c'est l'ouverture du circuit électrique qui signalerait au calculateur un dépassement de la température de transition du matériau à mémoire de forme. En variante, le ressort hélicoïdal 32 peut être réalisé dans un matériau à mémoire de forme susceptible de présenter un effet mémoire de forme double, tel par exemple qu'un alliage de nickel et de titane ou un alliage de ruthénium et de tantale, pour permettre au micro- commutateur 10 de continuer à fonctionner après la détection d'un premier dépassement de température et de détecter un retour à une température normale, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit. Pour la mise en oeuvre de l'effet mémoire de forme double, le ressort 32 subit au préalable une phase d'éducation comprenant une série de cycles thermomécaniques dans lesquels il est alternativement conformé dans sa position de compression, sous une température inférieure à la température de transition du matériau à mémoire de forme en phase austénitique de sorte que ce matériau se trouve alors en phase martensitique, et dans sa position d'extension, sous une température supérieure à la température de transition du matériau à mémoire de forme de sorte que ce matériau se trouve alors en phase austénitique. Dès lors, le dispositif est en mesure de détecter un dépassement de la température de transition du matériau à mémoire de forme de manière analogue au dispositif à effet mémoire de forme simple décrit ci-dessus, et permet donc également de commander un ralentissement du turboréacteur jusqu'au refroidissement de la turbine. Toutefois, après un incident de surchauffe, dès que la température repasse en dessous de la température de transition du matériau à mémoire de forme, ce dernier repasse en phase martensitique et le ressort 32 retrouve sa forme initiale, ouvrant de ce fait le circuit électrique et signalant ainsi la fin de la surchauffe. Le dispositif est dès lors en mesure d'assurer la détection de nouveaux dépassements de température. Le dispositif à effet mémoire de forme double requiert moins d'opérations de maintenance que celui à effet simple décrit précédemment, du fait qu'il est capable de subir plusieurs cycles de changements de phase, correspondant à autant de détections de dépassements de température, avant de devoir éventuellement être changé du fait de l'usure du matériau à mémoire de forme. Ce dispositif est donc particulièrement avantageux pour détecter des surchauffes d'ampleur modérée et en limiter les conséquences, en permettant au pilote ou au calculateur de commander une diminution du régime de fonctionnement du turboréacteur dès les premiers signes de surchauffe, évitant ainsi à la turbine d'atteindre des températures plus élevées qui risqueraient de l'endommager, et en informant le pilote d'un éventuel retour à un fonctionnement normal. D'une manière générale, le matériau à mémoire de forme du ressort hélicoïdal 32 est choisi de sorte que sa température de transition en phase austénitique corresponde à un seuil de température à surveiller, correspondant par exemple à une température susceptible d'endommager certains organes de la turbine, ce seuil étant compris entre 0°C et 1100°C environ. Comme cela a déjà été mentionné, le matériau à mémoire de forme doit être électroconducteur. II est en outre préférable pour une utilisation dans une turbine de turboréacteur que ce matériau présente de bonnes propriétés de résistance à la corrosion. La figure 2 représente un micro-commutateur 40 d'un dispositif de détection de seuil de température conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention, dans lequel le ressort hélicoïdal 32 est remplacé par une membrane circulaire 42 réalisée dans un matériau à mémoire de forme, logée dans le tube 12, et fixée par sa périphérie à la paroi interne du tube 12 en étant disposée perpendiculairement à l'axe de ce dernier, par exemple à une distance axiale de quelques millimètres du fond 20 du tube. La périphérie 44 de la membrane 42 est reliée à la tige 26 de matériau électroconducteur traversant l'orifice de la rondelle 22 de matériau diélectrique obturant l'extrémité ouverte 26 du tube 12. Le micro-commutateur 40 fonctionne de manière semblable au micro-commutateur 10 du premier mode de réalisation décrit ci-dessus La membrane 42 est destinée à se déformer par un effet mémoire de forme simple ou double entre deux positions dans l'une desquelles elle est sensiblement plane de sorte que le circuit électrique est ouvert, et dans l'autre desquelles 45 elle est bombée de sorte qu'une partie sensiblement centrale 46 de sa surface soit en contact avec le fond 20 du tube, fermant ainsi le circuit électrique. La figure 3 représente un micro-commutateur 48 d'un dispositif de détection de seuil de température conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'élément mobile du micro-commutateur est un cylindre 50 de matériau à mémoire de forme logé dans le tube 12 et d'axe sensiblement identique à l'axe de ce dernier. Le cylindre 50 comporte à l'une de ses extrémités une face 52 en regard du fond 20 du tube, cette face 52 étant disposée par exemple à une distance axiale de quelques millimètres du fond 20 du tube et étant destinée à fonctionner de manière analogue à la membrane 42 décrite ci-dessus. L'autre face d'extrémité 54 du cylindre 50 est solidarisée à la rondelle 22 de matériau diélectrique de sorte que le cylindre 50 est maintenu fixement à l'intérieur du tube 12. En variante, la surface longitudinale externe du cylindre 50 peut être solidarisée à la paroi longitudinale interne du tube 12 pour le maintien du cylindre. Le cylindre 50 est relié à la tige 26 de matériau électroconducteur, et sa face d'extrémité 52 en regard du fond du tube est destinée à se déformer en passant d'une conformation plane à une conformation bombée 56 par un effet mémoire de forme simple ou double de manière semblable au fonctionnement de la membrane 42 du deuxième mode de réalisation de l'invention pour ouvrir ou fermer le circuit électrique. D'un point de vue général, le dispositif selon l'invention présente l'avantage de délivrer au calculateur une information en tout ou rien, et évite ainsi au calculateur de recourir à des algorithmes de traitement de l'information pour déterminer si un seuil de température est dépassé ou non, comme c'est le cas avec les dispositifs connus de l'art antérieur. L'information fournie par ce dispositif présente en outre un caractère absolu, ce qui permet d'éviter la comparaison à une température de référence. Pour une meilleure fiabilité, les dispositifs selon l'invention peuvent être montés de manière redondante. En outre, il peut être avantageux de monter plusieurs dispositifs selon l'invention comprenant des matériaux à mémoire de forme différents 5 pour la surveillance simultanée de plusieurs seuils de température. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection de seuil de température, caractérisé en ce qu'il comprend un élément électroconducteur (32, 42, 50) en matériau à mémoire de forme, destiné à être soumis à une température à contrôler et à venir en contact avec une borne (20) de passage d'un courant électrique ou à s'en écarter selon que la température est supérieure ou inférieure à une température de transition du matériau à mémoire de forme. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la borne (20) est reliée à une sortie (18) d'une source de courant et l'élément en matériau à mémoire de forme (32, 42, 50) est relié à une autre sortie (26) de la source de courant. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source de courant délivre un courant continu ou alternatif. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément en matériau à mémoire de forme (32, 42, 50) constitue un élément mobile d'un micro-commutateur (10, 40, 48) d'un circuit de signalisation. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le micro-commutateur (10, 40 48) comprend un tube (12) en matériau électroconducteur relié à une sortie (18) de la source de courant et ayant une extrémité (14) fermée par un fond (20) destiné à former la borne de passage de courant électrique et une extrémité ouverte (16), un revêtement (36) de matériau diélectrique recouvrant la paroi interne longitudinale du tube (12), et une rondelle (22) de matériau diélectrique destinée à obturer l'extrémité ouverte (16) du tube, l'élément en matériau à mémoire de forme (32, 42, 50) étant logé à l'intérieur du tube (12) et relié à l'autre sortie de la source de courant par une tige (26) d'un matériau électroconducteur traversant la rondelle (22). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que 1 élément enmatériau à mémoire de forme est un ressort hélicoïdal (32) d'axe sensiblement parallèle à l'axe du tube (12) et dont une extrémité (31) est reliée à la tige (26) de matériau électroconducteur tandis que l'autre extrémité (34) est destinée à venir en contact avec le fond (20) du tube ou à s'en écarter sous l'effet d'une déformation du ressort (32) par un effet mémoire de forme. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément en matériau à mémoire de forme est une membrane (42) disposée parallèlement à et à distance du fond (20) du tube et qui comporte une partie périphérique (44) fixée à la paroi interne du tube (12) et reliée à la tige (26) de matériau électroconducteur et une partie centrale (46) destinée à venir en contact avec le fond (20) du tube ou à s'en écarter sous l'effet d'une déformation de la membrane (42) par un effet mémoire de forme. 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément en matériau à mémoire de forme est un cylindre (50) logé dans le tube (12) et d'axe sensiblement parallèle à l'axe du tube, comprenant une première face d'extrémité (54) solidaire de la rondelle (22) de matériau diélectrique et reliée à la tige (26) de matériau électroconducteur, et une seconde face d'extrémité (52) disposée à distance du fond (20) du tube et comportant une partie centrale destinée à venir en contact avec le fond du tube ou à s'en écarter sous l'effet d'une déformation du cylindre par un effet mémoire de forme. 9. Turbine, caractérisée en ce qu'elle est équipée de dispositifs de détection selon l'une des revendications 1 à 8. 10.Turbomachine, telle qu'un turboréacteur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un dispositif de détection selon l'une des revendications 1 à 8.