Brevet FR2929003A1 — publié le 20090925

Capteur passif de dépassement de seuil de température pour turbomachine La présente invention concerne la détection de dépassements de température dans les turbomachines, telles que les turboréacteurs d'avion. Dans les turbomachines, des surchauffes accidentelles peuvent être constatées, en particulier au niveau des parties fixes ou mobiles des turbines, ces surchauffes résultant en général d'événements isolés, tels qu'un défaut de démarrage ou une anisotropie des flux de gaz s'écoulant dans la turbomachine. Ces dépassements de seuils de température ne sont pas toujours détectables, en particulier lorsqu'ils se produisent dans une région de la turbomachine qui n'est pas équipée de capteurs actifs, par exemple à chaînes de thermocouples, ou lorsqu'ils affectent une zone d'étendue trop réduite pour être détectée par un capteur de ce type. Pour éviter que ne soient utilisées des pièces endommagées de manière non visible par un dépassement de température et minimiser ainsi les risques d'incidents dans les turbomachines, des analyses a posteriori sont régulièrement conduites lors d'opérations de maintenance afin de rechercher les traces d'un épisode de surchauffe. Ces analyses requièrent des mesures complexes, telles que des analyses métallurgiques de transformation de phases couplées à des mesures de dureté. Bien que la morphologie et la nature chimique des phases évoluent sous l'effet d'une surchauffe, ces transformations ont des cinétiques relativement lentes et ne permettent donc pas de rendre compte de surchauffes de courte durée, qui sont pourtant susceptibles d'endommager sérieusement les composants de la turbomachine. La précision des mesures est en outre limitée du fait que l'évolution des transformations dépend de la durée d'un épisode cle surchauffe et du fait que l'état initial de la microstructure des matériaux analysés n'est pas connu avec une précision suffisante. Un autre moyen connu pour détecter les surchauffes consiste à utiliser des peintures thermosensibles, mais cela n'est réalisable que dans le cadre d'opérations de développement. Ces peintures présentent en outre l'inconvénient d'une faible durée de vie dans les conditions de fonctionnement des turbomachines. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter les inconvénients de la technique connue et de faciliter la détection des dépassements de seuils de température dans les turbornachines. Elle a pour objet un capteur passif de surchauffe destiné en particulier à être monté sur des zones mortes de pièces de turbomachines, c'est-à-dire sur des zones non fonctionnelles à l'abri des flux de gaz de la turbomachine, ou dans des cavités de telles pièces, et permettant de détecter des dépassements de seuils de température, y compris de courte de durée, par un contrôle visuel direct ou après prélèvement au démontage. L'invention propose à cet effet un capteur passif de dépassement de seuil de température, caractérisé en ce qu'il comprend un élément sensible en matériau à mémoire de forme propre à se déformer de façon irréversible par un effet mémoire de forme simple lorsqu'il est soumis à une température supérieure à un seuil prédéterminé correspondant à une température de transition du matériau à mémoire de forme. Le capteur selon l'invention tire profit des grandes capacités de 25 déformation des matériaux à mémoire de forme. Lors d'un dépassement du seuil de température, l'élément sensible se déforme par effet mémoire de forme simple, et conserve ensuite sa nouvelle forme quelle que soit l'évolution ultérieure de la température. Il suffit dès lors d'observer le capteur pour savoir si le seuil de 30 température a été dépassé ou non. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'élément sensible est logé dans une gaine de guidage en un matériau dont la dilatation thermique est inférieure à la déformation par effet mémoire de forme de l'élément sensible à la température de transition. La gaine de guidage constitue ainsi une référence fixe permettant d'accroître la visibilité de la déformation de l'élément sensible. La gaine est avantageusement obturée à une extrémité par une membrane dont la rupture par l'élément sensible constitue un signe visible du dépassement du seuil de température. En variante, la longueur de la gaine est déterminée pour que l'élément sensible ne devienne visible à l'extérieur de la gaine qu'après dépassement du seuil de température. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'élément sensible possède une courbure modifiée de façon visible par dépassement du seuil de température. L'invention concerne également une pièce de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un capteur du type décrit ci-dessus. Un tel capteur forme un témoin inerte permettant de contrôler, par exemple lors d'opérations de maintenance de la turbomachine, si un seuil critique de température a été dépassé ou non, et cela par un simple contrôle visuel, par exemple par endoscopie ou après démontage de la pièce. Le capteur est de préférence monté sur une zone morte ou dans une cavité de la pièce afin de ne pas pénaliser les performances de la turbomachine. Selon une autre caractéristique de l'invention, le capteur comprend une gaine cylindrique fixée sur la pièce par brasage. La gaine cylindrique est avantageusement logée dans une cavité de la pièce. Cela permet de ne pas altérer les propriétés fonctionnelles, notamment aérodynamiques, de la pièce. 4 Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément sensible du capteur comprend une languette ou un ressort fixé par une extrémité sur la pièce. La pièce de turbomachine comprend avantageusement au moins deux capteurs passifs de dépassement de seuils de température, dont les éléments sensibles sont dans des matériaux à mémoire de forme à températures de transition différentes. En cas de surchauffe, il est ainsi possible de situer avec une meilleure précision la température maximale atteinte, en fonction des types 10 de capteurs qui se sont déformés. Cela se révèle particulièrement utile lorsque la pièce est composée de plusieurs matériaux ayant des températures critiques d'endommagement différentes, auquel cas il est avantageux de prévoir autant de capteurs passifs dont les éléments sensibles ont des 15 températures de transition correspondant respectivement à ces températures critiques d'endommagement. L'invention concerne également une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend des pièces de turbine ou de compresseur du type décrit ci-dessus. 20 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 : la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un 25 premier composant de turbomachine équipé d'un capteur passif selon l'invention ; la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un deuxième composant de turbomachine équipé de capteurs passifs selon l'invention ; 30 les figures 2a et 2b sont respectivement des vues à plus grande échelle des détails IIa et IIb de la figure 2. La figure 1 représente une partie d'un secteur d'anneau 10 monté dans une turbine d'un turboréacteur d'avion et comportant une structure en nid d'abeille 12, d'une manière connue. Le secteur d'anneau 10 comporte, selon l'invention, un capteur 5 passif 14 de dépassement de seuil de température comprenant un cylindre 16 réalisé dans un matériau à mémoire de forme et logé dans une cavité de la structure en nid d'abeille 12. Le cylindre 16 est fixé au secteur d'anneau 10 par sa face supérieure 18, par exemple par brasage. Comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit, le cylindre 16 constitue l'élément sensible du capteur passif 14 et il est destiné à se déformer de manière visible lorsqu'il est soumis à une température supérieure à un seuil de température prédéterminé correspondant à la température de transition du matériau à mémoire de forme, et à garder ensuite sa nouvelle forme afin de signaler que le seuil de température a été dépassé. Pour cela, le matériau à mémoire de forme est choisi parmi les matériaux suscep_ibles de présenter un effet mémoire de forme simple, de préférence parmi les alliages allant du type NiTi (alliages de nickel et de titane) au type RuTa (alliages de ruthénium et de tantale) ou RuNb (alliages de ruthénium et de niobium), et ayant une température de transition sensiblement égale à un seuil de température à surveiller, correspondant typiquement à une température critique d'endommagement d'un ou de plusieurs matériaux formant le secteur d'anneau 10, ou d'un point de vue plus général, la pièce portant le capteur passif 14 ou une pièce située à proximité de ce capteur passif. Pour la mise en oeuvre d'un effet mémoire de forme simple, le cylindre 16 est préalablement soumis à une phase d'éducation dans laquelle il est dans un premier temps conformé clans une position d'allongement 20 de sorte que son extrémité inférieure fasse saillie hors de la cavité, à une température supérieure à la température de transition du matériau à mémoire de forme qui se trouve alors en phase austénitique. Puis, dans un second temps, le cylindre est comprimé mécaniquement pour que sa face inférieure 22 rentre dans la cavité, à une 5 température inférieure à la température de transition précitée, le matériau à mémoire de forme se trouvant alors en phase martensitique. Le capteur passif 14 est alors prêt à détecter et signaler tout dépassement de la température de transition du matériau à mémoire de forme dont est composé le cylindre 16. 10 Un dépassement de la température de transition amène en effet le matériau à mémoire de forme à repasser en phase austénitique, ce qui s'accompagne d'un allongement du cylindre 16 par effet mémoire de forme jusqu'à sa position d'allongement 20 apprise en phase d'éducation. Du fait du caractère irréversible de l'effet mémoire de forme simple, 15 le cylindre 16 conserve sa forme allongée 20 quelle que soit l'évolution ultérieure de la température, de sorte qu'une inspection visuelle du capteur passif 14, par exemple au cours d'une opération de maintenance, permettra de révéler que le seuil de température a été dépassé. II suffira alors de procéder au remplacement du cylindre ou de lui 20 faire subir une nouvelle phase d'éducation pour que soient de nouveau détectés les dépassements du seuil de température. Le cylindre 16 est entouré par une gaine cylindrique de guidage 24 destinée à faciliter le déplacement relatif de la paroi idu cylindre 16 par rapport à la cavité lors de la déformation du cylindre 16. 25 La gaine de guidage 24 est réalisée dans un matériau dont les déformations par dilatation thermique aux températures susceptibles d'être atteintes dans une turbomachine sont très inférieures aux déformations du cylindre 16 provoquées par l'effet mémoire de forme. De plus, la longueur de la gaine 24 est déterminée de sorte que le 30 cylindre 16 ne soit visible à l'extérieur de la gaine 24 que lorsqu'il est dans sa conformation allongée 20, c'est-à-dire après déformation par effet mémoire de forme. Ces deux dernières conditions permettent de garantir que la visibilité des déformations du cylindre 16 logé dans la gaine 24 est optimale. Pour accroître encore la visibilité des déformations du cylindre 16, et rendre ainsi plus fiable l'information délivrée par le capteur passif 14, la gaine 24 peut être obturée par une membrane 26 disposée en regard de l'extrémité 22 du cylindre destinée à s'allonger par effet mémoire de forme. Lors d'un dépassement du seuil de température, l'allongement du cylindre 16 provoque la rupture de la membrane 26, ce qui constitue un signe particulièrernent visible de la surchauffe. La figure 2 représente une partie d'une aube 28 de distributeur dans une turbine de turboréacteur d'avion. L'aube 28 comporte un premier capteur passif 30 analogue au 15 capteur décrit ci-dessus et représenté à plus grande échelle sur la figure 2a. Le capteur 30 est monté dans une cavité formée dans le bord d'attaque 32 de l'aube 28, et comprend un élément sensible cylindrique 34 en matériau à mémoire de forme logé dans une gaine de guidage 20 cylindrique 36 ayant une extrémité fermée 38 en regard du fond de la cavité, et ayant son autre extrémité obturée par une membrane 40. Le cylindre 34 est initialement enfermé dans la cavité par la membrane 40, et est destiné à se déformer par un effet mémoire de forme simple lors d'un dépassement de la température de transition du matériau à 25 mémoire de forme qui le compose, et cela en s'allongeant jusqu'à une conformation 42 dans laquelle son extrémité opposée au fond de la cavité fait saillie hors de cette dernière, après rupture de la membrane 40. Le fonctionnement de ce capteur 30 et la phase d'éducation préalable à la mise en oeuvre de l'effet mémoire de forme sont similaires en 30 tous points à ce qJi a été décrit à propos du capteur 14 représenté sur la figure 1. 8 L'aube de distributeur 28 comporte un second capteur passif 44 monté à l'extrémité aval 46 de la plateforme 48 du pied de l'aube 28. Ce capteur consiste essentiellement en une languette 44 réalisée dans un matériau à mémoire de forme choisi de manière analogue au 5 matériau des capteurs 14 et 30 décrits ci-dessus. La languette 44, qui est représentée à plus grande échelle sur la figure 2b, est fixée par la surface radialement externe 50 (située en haut sur les figures) de son extrémité amont (située vers la gauche sur les figures), par exernple par soudure, à la surface radialement interne 52 de 10 l'extrémité aval 46 de la plateforme 48 du pied de l'aube 28. La languette 44 est destinée à se déformer par un effet mémoire de forme simple de façon à modifier da manière visible et irréversible sa courbure lors d'un dépassement de la température de transition du matériau à mémoire de forme qui la compose. 15 Pour la mise en oeuvre de l'effet mémoire de forme simple, la languette 44 est préalablement soumise à une phase d'éducation dans laquelle elle est dans un premier temps conformée dans une position courbée 54, dans laquelle les tangentes respectives à ses deux extrémités font par exemple entre elles un angle 8 égal à 45° environ, et cela à une 20 température supérieure à la température de transition du matériau à mémoire de forme qui se trouve alors en phase austénitique. Puis, dans un second temps, la languette est courbée mécaniquement jusqu'à prendre une conformation sensiblement plane 56, à une température inférieure à la température de transition précitée de 25 sorte que le matériau à mémoire de forme se trouve alors en phase martensitique. La languette 44 est alors prête à détecter et signaler tout dépassement de la température de transition du matériau à mémoire de forme dont elle est composée. 30 Un dépassement de la température de transition amène en effet le matériau à mémoire de forme à repasser en phase austénitique, ce qui provoque une courbure de la languette par effet mémoire de forme jusqu'à sa conformation courbée 54 apprise en phase d'éducation. Du fait du caractère irréversible de l'effet mémoire de forme simple, la languette 44 conserve sa forme courbée 54 indépendamment de l'évolution ultérieure de la température, de sorte qu'une inspection visuelle de la languette, par exemple au cours d'une opération de maintenance, permettra de révéler que le seuil de température a été dépassé. L'invention n'est bien entendu pas limitée aux exemples décrits ci-dessus et concerne tous types de composants de turbomachines susceptibles d'être endommagés au-delà d'une certaine température. Les capteurs passifs selon l'invention ne sont pas uniquement utiles pour surveiller les dépassements de seuils de températures critiques des pièces sur lesquelles ils sont montés, mais peuvent également être utilisés pour surveiller des pièces situées dans leur voisinage. Ainsi, un capteur pourra être monté sur une certaine pièce tout en étant conçu pour réagir au dépassement d'une température susceptible d'endommager une autre pièce située non loin du capteur. D'un point de vue général, il est préférable d'agencer les capteurs passifs selon l'invention dans des zones dites mortes de pièces de turbomachines, c'est-à-dire dans des zones n'intervenant pas dans le fonctionnement de la turbomachine. Les capteurs 14 et 30 sont ainsi montés dans des cavités, et le capteur 44 est monté en dehors des flux de gaz s'écoulant dans la turbomachine. II peut être avantageux de disposer plusieurs capteurs passifs selon l'invention à proximité les uns des autres de façon à ce que ces capteurs réagissent à des seuils de température différents. Pour cela, il suffit de choisir autant de matériaux à mémoire de formes différents ayant chacun une température de transition 30 correspondant à l'un des seuils. 10 L'intérêt d'un tel dispositif est que son inspection visuelle permet de situer avec une meilleure précision la température qui a été atteinte lors d'un éventuel épisode de surchauffe, selon le nombre et la nature des capteurs ayant réagi. Dans tous les cas, l'inspection des capteurs passifs selon l'invention peut être effectuée in situ, par exemple au moyen d'un endoscope, ou après démontage de la ou des pièces comportant de tels capteurs. REVENDICATIONS 1. Capteur passif (14, 30, 44) de dépassement de seuil de température, caractérisé en ce qu'il comprend un élément sensible (16, 34, 44) en matériau à mémoire de forme propre à se déformer de façon irréversible par un effet mémoire de forme simple lorsqu'il est soumis à une température supérieure à un seuil prédéterminé correspondant à une température de transition du matériau à mémoire de forme. 2. Capteur (14, 30) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément sensible (16, 34) est logé dans une gaine de guidage (24, 36) en un matériau dont la dilatation thermique est inférieure à la déformation par effet mémoire de forme de l'élément sensible à la température de transition. 3. Capteur (14, 30) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la gaine (24, 36) est obturée à une extrémité par une membrane (26, 40) dont la rupture par l'élément sensible (16, 34) constitue un signe visible du dépassement du seuil de température. 4. Capteur (14, 30) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur de la gaine (24, 36) est déterminée pour que l'élément sensible (16, 34) ne devienne visible à l'extérieur de la gaine qu'après dépassement du seuil de température. 5. Capteur (44) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément sensible (44) possède une courbure modifiée de façon visible par dépassement du seuil de température. 6. Pièce de turbomachine (10, 28), caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un capteur (14, 30 44) selon l'une des revendications précédentes. 7. Pièce (28) selon la revendication 6, caractérisée en ce que le capteur (44) est monté sur une zone morte de la pièce. 8. Pièce (10, 28) selon la revendication 6, caractérisée en ce que le capteur (14, 30) est monté dans une cavité de la pièce. 9. Pièce (10, 28) selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce 12 que le capteur (14, 30) comprend une gaine cylindrique (24, 36) fixée sur la pièce par brasage. 10. Pièce (10, 28) selon la revendication 9, caractérisée en ce que la gaine cylindrique (24, 36) est logée dans une cavité de la pièce. 11. Pièce (28) selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que l'élément sensible du capteur comprend une languette (44) ou un ressort fixé par une extrémité sur la pièce. 12. Pièce selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux capteurs passifs de dépassement de seuils de température, dont les éléments sensibles sont dans des matériaux à mémoire de fo-me à températures de transition différentes. 13.Turbomachine caractérisée en ce qu'elle comprend des pièces (10, 28) de turbine ou de compresseur selon l'une des revendications 6 à 12.