Brevet FR2931238A1 — publié le 20091120

B09-1643FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Système et procédé d'inspection thermique d'objets Invention de : ALLEN Jason Randolph NIRMALAN Nirm Velumylun SAKARAI Mohamed Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 14 mai 2008 sous le n° 12/120.617 Système et procédé d'inspection thermique d'objets L'invention concerne de façon générale des systèmes et des procédés d'inspection thermique et de façon plus spécifique, l'inspection thermique non destructive de pièces refroidies durant le fonctionnement du système. Un moteur à turbine à gaz comporte un compresseur fournissant de l'air sous pression à une section de combustion où l'air sous pression est mélangé avec un carburant et brûlé, générant des gaz de combustion chauds. Ces gaz s'écoulent vers l'aval vers une turbine à plusieurs étages. Chaque étage de la turbine comporte une pluralité de pales espacées circonférentiellement s'étendant radialement vers l'extérieur depuis une roue qui est fixée à un arbre pour tourner autour de l'axe central du moteur. Les gaz chauds se dilatent contre les pales de la turbine provoquant la rotation de la roue. Celle-ci fait elle-même tourner l'arbre qui est raccordé au compresseur et qui peut également être raccordé à un équipement de charge tel qu'un générateur électrique ou une boîte de vitesses. Ainsi, la turbine extrait l'énergie des gaz chauds pour entraîner le compresseur et fournit un travail utile tel que la génération d'électricité ou la propulsion d'un aéronef en vol. I1 est bien connu que le rendement des moteurs à turbine à gaz peut être accru en augmentant la température de fonctionnement de la turbine. À mesure qu'on augmente les températures de fonctionnement, les limites thermiques de certains composants du moteur, tels que les aubes de la turbine, peuvent être dépassées, ce qui diminue la durée de vie utile ou même provoque une défaillance du matériau. De plus, la dilatation et la compression thermiques accrues de ces composants influent défavorablement sur les tolérances et leurs relations d'adaptation mutuelle avec les autres composants. I1 est ainsi souhaitable de surveiller la température des aubes d'une turbine durant le fonctionnement d'un moteur pour s'assurer qu'elles ne dépassent pas leur température nominale maximale pendant une période de temps appréciable. Une approche courante à la surveillance de la température des pales d'une turbine consiste à mesurer la température des gaz quittant la turbine et à l'utiliser comme indication de la température des aubes. On peut mesurer la température de sortie de la turbine en disposant dans le courant d'échappement un ou plusieurs capteurs de température, tels que des thermocouples. Puisque la température des pales est mesurée indirectement, elle est relativement imprécise. I1 n'est ainsi pas possible d'utiliser des températures de pales optimales car il est nécessaire de maintenir une grande marge de sécurité. Les inconvénients de la mesure directe de la température des pales sont bien connus et on a proposé des approches pour mesurer directement les températures des pales. Une approche de mesure directe utilise un pyromètre à rayonnement situé à l'extérieur du carter du moteur et ayant un champ de vision focalisé sur les aubes de la turbine au travers d'une fenêtre de visée formée dans la paroi du carter. Le rayonnement émis par les aubes de la turbine chauffées frappe ainsi le pyromètre qui génère alors un signal électrique représentatif de la température des aubes. Toutefois, durant le fonctionnement du moteur, la fenêtre de visée est exposée à des gaz d'échappement à haute température qui ont tendance à troubler la fenêtre de visée et qui influent défavorablement sur le relevé du pyromètre. De plus, l'émissivité optique des surfaces des aubes est habituellement inconnue, ce qui introduit également une erreur de mesure de la température. I1 est en conséquence souhaitable de disposer d'une approche pour surveiller la température des pales d'une turbine surveillant à distance la température des pales au travers de la fenêtre de visée, tout en évitant les problèmes d'accès optique limité, des fenêtres à l'observation affectée et des caractéristiques de surface inconnues. Selon un mode de réalisation de l'invention, un système de mesure thermique est fourni. Le système de mesure thermique comporte une matrice de détecteurs bidimensionnelle, configurée pour recevoir un rayonnement dans des plages de longueurs d'onde multiples, dans lequel les détecteurs ont un premier axe représentant la dimension spatiale et un deuxième axe représentant la dimension en longueur d'onde. Le système comporte également un système optique configuré pour focaliser sur la matrice de détecteurs le rayonnement émis par l'objet. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, un système de mesure thermique pour un objet est fourni. Le système de mesure thermique comporte une matrice de détecteurs bidimensionnelle, configurée pour recevoir un rayonnement dans une pluralité de plages de longueurs d'onde, dans lequel les détecteurs ont un premier axe représentant la dimension spatiale et un deuxième axe représentant la dimension en longueur d'onde. Le système de mesure thermique comporte également un système optique configuré pour focaliser le rayonnement de l'objet sur chacun des détecteurs. Le système de mesure thermique comporte également un système de lacet et de traversée doté d'un moteur, dans lequel le moteur est configuré pour faire tourner le système optique autour d'un axe de façon à obtenir le champ de vision souhaitable, créant une carte bidimensionnelle dans la matrice de détecteurs. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, un procédé de fabrication d'un système de mesure thermique pour un objet est fourni. Le procédé comporte la fourniture d'une matrice de détecteurs bidimensionnelle, configurée pour recevoir un rayonnement dans une pluralité de plages de longueurs d'onde, dans lequel la matrice de détecteurs possède un premier axe représentant la dimension spatiale et un deuxième axe représentant la dimension en longueur d'onde. Le procédé comporte également la fourniture d'un système optique configuré pour focaliser sur la matrice de détecteurs le rayonnement émis par l'objet. Ces caractéristiques, aspects et avantages de la présente invention ainsi que d'autres seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit en référence aux dessins annexés sur lesquels des caractères analogues représentent des parties analogues dans l'ensemble des dessins, dans lesquels : - la figure 1 est une illustration schématique d'un exemple de moteur à turbine à gaz utilisant un système de mesure thermique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale agrandie du moteur à turbine à gaz de la figure 1 utilisant le système de mesure thermique ; - la figure 3 est une illustration schématique d'un exemple de système optique utilisé dans le système de mesure thermique de la figure 1 ; - la figure 4 est une illustration schématique du fonctionnement du système de mesure thermique sur des pales de turbine à haute pression ; - la figure 5 est une comparaison graphique entre les mesures de température absolue effectuées par des techniques à plusieurs couleurs et à une seule couleur ; et - la figure 6 est un organigramme représentant les étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'un système de mesure thermique. Comme expliqué en détail ci-dessous, des modes de réalisation de l'invention comportent un système et un procédé d'inspection thermique d'objets. Le système et le procédé ici décrits utilisent un système de détection qui détecte un rayonnement à des longueurs d'onde multiples sur un axe, tandis qu'un composant spatial sur un axe perpendiculaire permet d'obtenir une mesure précise de la température des composants pendant le fonctionnement. Le rayonnement obtenu est également ajusté sur un algorithme à spectres multiples ou à longueurs d'onde multiples basé sur la loi de Planck pour générer l'émissivité de température absolue et apparente. Tel qu'il est ici utilisé, le terme � objets � se réfère à des pales de turbine, mais sans y être limité. Bien qu'un grand nombre des exemples présentés ci-dessous mettent en oeuvre des objets tournants, le système peut également s'appliquer à la fois à des objets fixes et tournants. En passant aux dessins, la figure 1 est un exemple de moteur à turbine à gaz 10 disposé circonférentiellement autour de l'axe central du moteur 11 et en relation d'écoulement en série une section de soufflante référencée par le numéro 12, un compresseur à haute pression 16, une section de combustion 18, une turbine à haute pression 20 et une turbine à basse pression 22. La section de combustion 18, la turbine à haute pression 20 et la turbine à basse pression 22 sont souvent appelées section chaude du moteur 10. Un arbre de rotor à haute pression 24 relie dans une relation d'entraînement la turbine à haute pression 20 au compresseur à haute pression 16 et un arbre de rotor à basse pression 26 relie la turbine à basse pression 22 à la section de soufflante 12 pour l'entraîner. Du carburant est brûlé dans la section de combustion 18, produisant un écoulement de gaz très chauds 28 qui est respectivement dirigé à travers les turbines à haute pression et à basse pression 20 et 22 pour faire fonctionner le moteur 10. Un système optique 50 est couplé au moteur à turbine à gaz 10. Le système optique 50 dirige un faisceau de rayonnement 54 émis dans un champ de vision incluant une partie du moteur à turbine à gaz 10, par exemple, les pales de la turbine à haute pression 20. Dans un mode de réalisation particulier, le système optique 50 comporte un assemblage de lentilles et de miroirs ou un câble à fibres optiques. Le faisceau de rayonnement 54 frappe en outre un système détecteur 56. Le système détecteur 56 sépare le faisceau de rayonnement 54 en faisceaux 58 de différentes longueurs d'onde. Les faisceaux 58 frappent en outre des détecteurs multiples 60 qui génèrent un signal de sortie 62 représentatif des faisceaux 58. Le signal de sortie 62 est transmis à un convertisseur analogique-numérique 64 qui numérise le signal 62, produisant un signal numérique 66. Le signal numérique 66 est en outre appliqué à l'entrée d'un processeur 68 qui calcule un spectre d'émissivité apparente et une température correspondante. On notera que la présente invention n'est limitée à aucun processeur particulier pour exécuter les tâches de traitement de l'invention. Le terme � processeur � en tant que terme ici utilisé, est destiné à représenter une quelconque machine capable d'effectuer les calculs ou les calculs informatisés nécessaires pour exécuter les tâches de l'invention. Le terme � processeur � est destiné à représenter une quelconque machine capable d'accepter une entrée structurée et de traiter l'entrée selon des règles prescrites pour produire une sortie. On notera également que la phrase � configuré pour � telle qu'elle est ici utilisée signifie que le processeur est équipé d'une combinaison de circuits et de logiciels pour exécuter les tâches de l'invention, comme le comprendront les hommes de l'art. La figure 2 est une vue en section transversale agrandie de la turbine à haute pression 20 de la figure 1 comportant une aube de turbine 30 et une pale de turbine 32. Un exemple de profil aérodynamique 34 peut être utilisé pour l'une ou l'autre ou les deux parmi l'aube de turbine 30 et la pale de turbine 32. Le profil aérodynamique 34 comporte une paroi extérieure 36 qui est une surface mouillée à chaud 38 exposée à l'écoulement de gaz chauds 28. Les aubes de turbine 30 et dans un grand nombre de cas les pales de turbine 32 sont souvent refroidies par de l'air acheminé par la soufflante ou un ou plusieurs étages des compresseurs. Le système optique 50 est monté sur le moteur 10 de façon que la totalité de la surface du profil aérodynamique 34 soit couverte dans un champ de vision optique 71. Les faisceaux 58, comme référencé sur la figure 1, de longueurs d'onde différentes frappent une matrice de détecteurs 72 en 2D. La matrice de détecteurs 72 possède une composante spatiale sur un axe 74 et une composante de longueur d'onde spectrale sur un autre axe 76. Dans le mode de réalisation explicatif, la composante spatiale varie de R1 à environ R2, tandis que la longueur d'onde varie de X1 à environ X2. Dans un mode de réalisation particulier, un système de lacet et de traversée comportant un moteur fait tourner le système optique 50 autour d'un axe de façon à obtenir un champ de vision optique souhaitable 71 créant une carte bidimensionnelle dans la matrice de détecteurs 72. Dans un autre mode de réalisation, le champ de vision 71 est traversé à partir d'une position initiale pour un objet statique. La figure 3 est une illustration schématique d'un exemple de système optique 90. Le système optique 90 comporte une grille 92 qui sépare un faisceau de rayonnement 94 reçu depuis un objet (non représenté) en faisceaux 96 de longueurs d'onde différentes. Les faisceaux 96 frappent plusieurs détecteurs 98 qui délivrent en sortie des signaux représentatifs des différentes longueurs d'onde. Chacun des détecteurs 98 est une matrice bidimensionnelle de détecteurs incluant une composante spatiale sur un axe et une composante de longueur d'onde sur un axe perpendiculaire. Dans un exemple de mode de réalisation, les détecteurs 98 comportent des filtres multiples pour filtrer de manière sélective le rayonnement reçu. Dans un autre mode de réalisation, les détecteurs 98 reçoivent un rayonnement dans une plage de longueurs d'onde d'environ 0,6 �m et plus, où l'absorption de gaz n'est pas significative. La figure 4 est une illustration schématique du fonctionnement du système de détection incluant le mappage bidimensionnel sur un système à turbine. Dans le mode de réalisation illustré, les pales 112, 114 et 116 tournent dans un sens 118 à l'intérieur du plan d'une feuille de papier. On notera que l'on peut également utiliser plus de trois pales. Un système optique (non représenté) est aligné de façon que les pales 112, 114 et 116 se trouvent à l'intérieur d'un champ de vision optique 120. Durant une révolution des pales 112, 114 et 116, une acquisition de signal s'effectue à un certain instant dans le temps, en des points multiples le long d'un plan 121 du champ de vision 120 pour chacune des pales. Une carte bidimensionnelle 122 est formée à l'intérieur du champ de vision optique 120. Les informations spatiales des pales 112, 114 et 116 sont recueillies le long d'un axe 124, tandis que les informations spectrales sont recueillies le long d'un axe 126 perpendiculaire à l'axe 124. Dans le mode de réalisation illustré, l'axe 124 est divisé en pixels comportant des informations concernant la plage de composantes spatiales allant de R1 à R2 et l'axe 126 est divisés en pixels incluant des informations relatives à la plage de longueurs d'onde allant d'environ X1 à environ X2. Dans un mode de réalisation, le détecteur est échantillonné de façon que toutes les pales soient échantillonnées en une révolution. Dans un exemple non limitatif, le détecteur est échantillonné à 1 MHz. Dans un mode de réalisation particulier, l'acquisition de signal est effectuée par stroboscopie. Dans un autre mode de réalisation, les données échantillonnées sont verrouillées en phase. Un signal spectral obtenu à partir des détecteurs est appliqué en outre à l'entrée du processeur (figure 1) pour calculer l'émissivité apparente et la température absolue des pales. Dans un mode de réalisation particulier, le signal spectral est appliqué à l'entrée d'une routine d'ajustement par la loi de Planck pour calculer l'émissivité et la température absolue. La figure 5 est une comparaison graphique 150 de la température absolue mesurée par des techniques à plusieurs couleurs et à une seule couleur. L'axe X 152 représente le relevé d'un thermocouple en °C, tandis que l'axe Y 154 représente la température mesurée par une technique à plusieurs couleurs ou à une seule couleur. Une courbe 156 indique une mesure de référence utilisant un thermocouple. La courbe 158 représente une mesure de température effectuée par une technique à plusieurs couleurs avec un chemin optique optimal et la courbe 160 représente une mesure de température effectuée par une technique à plusieurs couleurs avec un chemin optique dégradé. Tel qu'il est ici utilisé, le terme � dégradé � se réfère à un changement du système optique tel qu'un champ de vision troublé dû à des conditions environnementales sévères. Comme illustré, la courbe 160 indique une mesure de température précise en présence de conditions environnementales sévères, montrant ainsi la robustesse vis-à-vis de l'incertitude de la cible. De façon similaire, les courbes 162 et 164 indiquent respectivement une température mesurée en utilisant une technique à une seule couleur avec un chemin optique optimum (et des propriétés de rayonnement de cible connues) et un chemin optique dégradé. La technique à une seule couleur utilise également une émissivité supposée. La courbe 164 indique une erreur significative dans la mesure de température dans un chemin optique dégradé, la rendant ainsi indésirable dans des conditions environnementales sévères. La figure 6 est un organigramme représentant les étapes d'un exemple de procédé 180 de fabrication d'un système de mesure thermique pour un objet. Le procédé 180 comporte la fourniture d'une matrice de détecteurs bidimensionnelle configurée pour recevoir un rayonnement dans des plages de longueurs d'onde multiples à l'étape 182, dans lequel la matrice de détecteurs possède un premier axe représentant la dimension spatiale et un deuxième axe représentant la dimension en longueur d'onde. Un système optique est prévu à l'étape 184 pour focaliser le rayonnement émis par l'objet sur la matrice de détecteurs bidimensionnelle. Les divers modes de réalisation d'un système et d'un procédé d'inspection thermique décrits ci-dessus fournissent ainsi une détection à grande vitesse, en ligne, non intrusive, en plusieurs couleurs et plein champ pour mesurer précisément la température absolue de l'objet durant le fonctionnement. Ces techniques et systèmes permettent également une détection en ligne d'un rayonnement thermique à des longueurs d'onde multiples pour une mesure de température et d'émissivité apparente. De plus, le calcul en ligne de la température permet de surveiller des blocages de trous de films, des variations ou des modifications locales et globales des performances thermiques des composants, fournissant des données de variations de température d'une partie à une autre et un historique des performances thermiques depuis le moment de l'installation jusqu'à la fin du service. De plus, la technique fournit une fiabilité et une opérabilité de plus grande qualité des turbines, protégeant ainsi les accords de service contractuels et procurant une amélioration de la souplesse pour l'opérateur et de l'opérabilité de la machine. Les mesures thermiques en ligne couplées au diagnostic le plus récent en temps réel des dommages cumulés de la turbine, permettent d'obtenir une durée de vie de chacun des composants plus grande et améliorée et une durée de vie de la machine globale améliorée. On comprendra naturellement que tous les objectifs ou avantages décrits ci-dessus peuvent ne pas nécessairement être obtenus selon un mode de réalisation particulier. Ainsi par exemple, les hommes de l'art comprendront que les systèmes et les techniques ici décrits peuvent être réalisés ou exécutés d'une manière permettant d'obtenir ou d'optimiser un avantage ou un groupe d'avantages comme ici enseigné sans nécessairement atteindre d'autres objectifs ou avantages comme pouvant être ici enseignés ou suggérés. De plus, l'homme de l'art reconnaîtra l'interchangeabilité des divers éléments de différents modes de réalisation. Par exemple, l'utilisation d'un détecteur à l'indium-arséniure de gallium décrit pour un mode de réalisation peut être adaptée pour être utilisée avec un objet immobile décrit pour un autre mode de réalisation. De façon similaire, les divers éléments décrits ainsi que d'autres équivalents connus pour chaque élément peuvent être mélangés et adaptés par un homme de l'art pour construire d'autres systèmes et techniques selon les principes de cette description. LISTE DES ÉLÉMENTS 10 moteur à turbine à gaz 11 axe central du moteur 12 section de soufflante 16 compresseur à haute pression 18 section de combustion 20 turbine à haute pression 22 turbine à basse pression 24 arbre de rotor à haute pression 26 arbre de rotor à basse pression 28 écoulement de gaz chauds 30 aube de turbine 32 pale de turbine 50 système optique 54 faisceau de rayonnement 56 système détecteur 58 faisceaux 60 détecteurs multiples 62 signal de sortie 64 convertisseur analogique-numérique 66 signal numérique 68 Processeur 71 champ de vision optique 72 matrice de détecteurs 90 système optique 92 grille 94 faisceau de rayonnement 96 faisceaux 98 détecteurs 100 signaux représentatifs des différentes longueurs d'onde 112 pales 114 pales 116 pales 118 direction à l'intérieur du plan d'une feuille de papier 120 champ de vision optique 122 carte bidimensionnelle 124 axe 126 axe perpendiculaire à l'axe 124 150 comparaison graphique 152 l'axe X représente le relevé d'un thermocouple en °C 154 l'axe Y représente la température mesurée par une technique à plusieurs couleurs ou à une seule couleur 156 courbe indiquant une mesure de référence utilisant un thermocouple 158 courbe représentant une mesure de température effectuée par une technique à plusieurs couleurs avec un chemin optique optimum 160 mesure de température effectuée par une technique à plusieurs couleurs avec un chemin optique dégradé 162 courbe indiquant une température mesurée en utilisant une technique à une seule couleur 164 courbe indiquant une température mesurée en utilisant une technique à une seule couleur 180 procédé de fabrication d'un système de mesure thermique d'un objet 182 fourniture d'une matrice de détecteurs bidimensionnelle configurée pour recevoir un rayonnement dans une pluralité de plages de longueurs d'onde 184 fourniture d'un système optique configuré pour focaliser le rayonnement émis par l'objet sur la matrice de détecteurs REVENDICATIONS1. Système de mesure thermique d'un objet comprenant : une matrice de détecteurs (56) bidimensionnelle, configurée pour recevoir un rayonnement d'une pluralité de plages de longueurs d'onde, les détecteurs (56) ayant un premier axe (124) représentant la dimension spatiale et un deuxième axe (126) représentant la dimension en longueur d'onde ; et un système optique (50) configuré pour focaliser sur la matrice de détecteurs le rayonnement émis par l'objet. 2. Système de mesure thermique selon la revendication 1, dans lequel les détecteurs (56) sont configurés pour recevoir un rayonnement dans une plage de longueurs d'onde de l'ordre de 0,6 �m et plus. 3. Système de mesure thermique selon la revendication 1, dans lequel les détecteurs (56) comprennent trois détecteurs ou plus. 4. Système de mesure thermique selon la revendication 1, dans lequel l'objet est un objet statique ou un objet rotatif. 5. Système de mesure thermique selon la revendication 4, dans lequel l'objet rotatif comprend une pale de turbine à gaz. 6. Système de mesure thermique d'un objet comprenant : une matrice de détecteurs (56) bidimensionnelle, configurée pour recevoir un rayonnement dans une pluralité de plages de longueurs d'onde, la matrice de détecteurs (56) ayant un premier axe (124) représentant la dimension spatiale et un deuxième axe (126) représentant la dimension en longueur d'onde ; un système optique (50) configuré pour focaliser le rayonnement de l'objet sur chaque détecteur de la matrice de détecteurs ; et un système de lacet et de traversée doté d'un moteur, le moteur étant configuré pour faire tourner le système optique (50) autour d'un axe de façon à obtenir un champ de vision souhaitable, créant une carte bidimensionnelle (122) dans la matrice de détecteurs (56). 7. Système de mesure thermique selon la revendication 6, dans lequel les détecteurs (56) sont choisis dans le groupe consistant en des détecteurs à l'indium-arséniure de gallium, des détecteurs au silicium, des détecteurs à l'indium-arséniure de gallium étendu et des détecteurs au plomb-antimoine. 8. Système de mesure thermique selon la revendication 6, comprenant en outre une pluralité de filtres configurés pour filtrer de manière sélective le rayonnement reçu par les détecteurs (56). 9. Système de mesure thermique selon la revendication 6, comprenant en outre un processeur (68) configuré pour recevoir des données d'intensité de chacun des détecteurs (56) et déterminer le profil de température de l'objet en se basant sur les données d'intensité. 10. Procédé (180) de fabrication d'un système de mesure thermique d'un objet comprenant : la fourniture (182) d'une matrice de détecteurs bidimensionnelle, configurée pour recevoir un rayonnement dans une pluralité de plages de longueurs d'onde, la matrice de détecteurs ayant un premier axe représentant la dimension spatiale et un deuxième axe représentant la dimension en longueur d'onde ; et la fourniture (184) d'un système optique configuré pour focaliser sur la matrice de détecteurs le rayonnement émis par l'objet.