Brevet FR2939494A1 — publié le 20100611

ENSEMBLE DE JOINT À HAUTE TEMPÉRATURE POUR CAPTEUR OPTIQUE Domaine technique de l'invention La présente invention concerne le domaine technique des capteurs optiques, et plus particulièrement un ensemble de joint pour un capteur optique utilisé dans un environnement à haute température, tel qu'il se présente dans un injecteur de carburant d'un moteur à turbine à gaz Etat de la technique Au cours de la dernière décennie, l'utilisation de sondes ou capteurs optiques pour surveiller des procédés industriels ayant lieu dans des environnements difficiles est devenue de plus en plus courante. Des exemples comprennent des pyromètres optiques pour mesurer une température et des spectromètres à fibre optique pour mesurer des compositions chimiques. Pour protéger et autrement prolonger la vie utile de ces sondes optiques, elles sont souvent logées dans une enveloppe de protection hermétiquement fermée. L'enveloppe de protection comporte d'habitude un hublot ou une fenêtre, qui est couramment fait de saphir synthétique. Le saphir apporte des propriétés électromécaniques, thermiques et chimiques supérieures par rapport au verre ou au quartz. Des capteurs optiques avec des hublots en saphir pour surveiller des procédés de combustion dans la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz sont connus dans l'état de la technique, comme cela est décrit par exemple dans brevet US n° 7 007 547 (Philipp et al.), dans lequel une lentille de saphir est soudée à l'intérieur d'un manchon en acier par l'intermédiaire d'un mélange céramique-métal. Cependant, il a été déterminé qu'un joint céramique sur métal est très sensible à la dilatation thermique, et ainsi n'est pas approprié pour des applications dans lesquelles le capteur optique est positionné à proximité d'une flamme de combustion, où des températures peuvent atteindre les 1400 °F (760 °C). Dans de nombreux capteurs optiques utilisés dans des moteurs à turbine à gaz, la fenêtre en saphir est brasée dans une bride d'étanchéité ou un dispositif de montage. Par exemple, le brevet US n° 5 929 450 (Glasheen et al.) décrit un capteur de flamme optique pour la détection de flamme dans un moteur à turbine à gaz. Le capteur est disposé dans un ensemble de logement et situé dans la paroi du moteur pour détecter la présence de flamme dans la chambre de combustion ou pour déterminer l'instant auquel un allumage de postcombustion a été obtenu dans la section de gicleur. L'ensemble de logement comprend un ensemble de lentille en saphir disposé à l'intérieur d'un porte-lentille et soudé par laser à ce dernier. Le porte-lentille est fabriqué à partir de Kovar, un alliage breveté qui s'adapte à la dilatation thermique du saphir. Bien qu'un joint entre un porte-lentille en Kovar et une fenêtre en saphir soit assez efficace lorsqu'il est situé dans la paroi d'un moteur à turbine à gaz, il ne supporterait pas les températures de fonctionnement qui sont présentes à proximité de la flamme de combustion. Par exemple, le brevet US n° 7 334 413 (Myhre) décrit un réseau de capteur optique positionné à l'intérieur d'un gicleur de carburant pour observer les conditions de combustion à l'intérieur du brûleur d'un moteur à turbine à gaz. Le réseau de capteur comprend un faisceau de fibres optiques qui est positionné à l'intérieur d'un tube de guidage en acier inoxydable. Le tube de guidage est positionné à l'intérieur d'un hublot formé dans la surface de bord avant du gicleur de carburant. Une fenêtre en saphir est jointe à l'extrémité du tube de guidage pour joindre le tube et protéger le faisceau de fibres de la flamme de combustion. Un joint de brasage conventionnel Kovar sur saphir, tel qu'il est décrit par exemple dans le document de Glasheen et al., serait inefficace dans cet environnement difficile. Donc, il serait avantageux de disposer d'un ensemble de joint métal sur saphir robuste qui soit capable de supporter l'environnement à haute température qui existe à proximité de la flamme de combustion à l'intérieur de la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz. Tel est le problème que la présente invention cherche à résoudre. Objets de l'invention La présente invention concerne un ensemble de joint nouveau et utile pour un capteur optique utilisé dans un environnement à haute température, tel que, par exemple, à l'intérieur de la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz. Le nouvel ensemble de joint selon la présente invention comprend un tube de guidage métallique oblong (qui peut être formé à partir d'un alliage à base de nickel) comportant une partie d'extrémité distale ouverte définissant une extrémité distale ouverte et une paroi arrière intérieure. Une fenêtre en saphir est disposée à l'intérieur de la partie d'extrémité distale du tube de guidage métallique. La fenêtre en saphir peut comporter une surface d'extrémité arrière prenant appui contre la paroi arrière intérieure de la partie d'extrémité distale du tube de guidage métallique (ladite fenêtre en saphir pouvant avantageusement prendre la forme de tige oblongue en saphir). Un manchon de montage en platine fixe la fenêtre en saphir au tube de guidage métallique, pour fournir un joint hermétique. Plus particulièrement, le manchon de montage en platine comporte une partie d'extrémité jointe au tube de guidage métallique et/ou une autre partie d'extrémité jointe à la fenêtre en saphir. De préférence, une partie d'extrémité avant du manchon de montage en platine est jointe au tube de guidage métallique par un joint de brasage, et une partie d'extrémité arrière du manchon de montage en platine est jointe à la surface périphérique extérieure de la fenêtre en saphir, de préférence par un joint en verre. Dans un mode de réalisation, la surface d'extrémité arrière de la fenêtre en saphir est en communication optique avec des fibres optiques disposées à l'intérieur du tube de guidage métallique. Une partie d'extrémité avant de la tige oblongue en saphir peut s'étendre vers l'extérieur à partir de l'extrémité distale ouverte du tube de guidage. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, l'ensemble de joint à haute température est associé à un injecteur de carburant pour un moteur à turbine à gaz. Par conséquent, la présente invention concerne un injecteur de carburant qui comprend un corps de gicleur comportant une surface de bord avant avec un hublot optique formé dans celle-ci. Un tube de guidage métallique oblong est disposé à l'intérieur du hublot optique du corps de gicleur, et une tige oblongue en saphir est assise à l'intérieur d'une partie d'extrémité distale du tube de guidage métallique. Un manchon de montage en platine fixe la tige en saphir au tube de guidage de la manière décrite ci-dessus. Un autre objet de la présente invention est un injecteur de carburant pour un moteur à turbine à gaz comprenant : a) un corps de gicleur comportant une surface de bord avant avec un hublot optique formé dans celle-ci ; b) un tube de guidage métallique (formé avantageusement à partir d'un alliage à base de nickel) disposé à l'intérieur du hublot optique du corps de gicleur, le tube de guidage métallique comportant une partie d'extrémité distale définissant une extrémité distale ouverte et une paroi arrière intérieure ; c) une tige oblongue en saphir disposée à l'intérieur de la partie d'extrémité distale du tube de guidage métallique, la tige en saphir comportant une surface d'extrémité arrière prenant appui contre la paroi arrière intérieure du tube de guidage métallique et une partie d'extrémité avant s'étendant vers l'extérieur à partir de l'extrémité distale ouverte du tube de guidage métallique ; et d) un manchon de montage en platine pour fixer la tige en saphir au tube de guidage, le manchon de montage en platine comportant une partie jointe au tube de guidage métallique et une autre partie jointe à la tige en saphir. Une partie d'extrémité avant du manchon de montage en platine est jointe au tube de guidage métallique. La partie d'extrémité avant du manchon de montage en platine peut être brasée sur le tube de guidage métallique. Une partie d'extrémité arrière du manchon de montage en platine est jointe à la tige en saphir, avantageusement avec du verre. La surface d'extrémité arrière de la tige en saphir peut être en communication optique avec des fibres optiques disposées à l'intérieur du tube de guidage métallique. Celles-ci et d'autres caractéristiques de la présente invention deviendront plus évidentes pour l'homme du métier à partir de la description détaillée suivante de l'invention considérée conjointement aux figures décrites ci-dessous. Figures Afin que l'homme du métier puisse facilement comprendre la manière de fabriquer et d'utiliser l'ensemble de joint métal sur saphir de la présente invention sans expérimentation inutile, des modes de réalisation préférés de celle-ci vont être décrits en détail ci-dessous en faisant référence à certaines figures 1 à 3 : La figure 1 est une vue en perspective d'un injecteur de carburant qui comprend un capteur optique pour observer des conditions de combustion dans la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz, sur laquelle ce capteur optique est positionné dans un hublot formé dans la surface de bord avant du gicleur injecteur et comporte une fenêtre avec un ensemble de joint construit conformément à un mode de réalisation préféré de la présente invention. La figure la est une vue en coupe transversale d'une partie du corps de gicleur de l'injecteur de carburant illustrant l'ensemble de tube de guidage de protection qui loge le faisceau de fibres du capteur optique, sur laquelle une fenêtre en saphir est jointe à l'extrémité distale du tube de guidage en utilisant l'ensemble de joint de la présente invention. La figure 2 est une vue en perspective de l'ensemble de tube de guidage de protection représenté sur la figure la, avec la fenêtre en saphir et le manchon de montage en platine séparés de la partie d'extrémité distale du tube de guidage pour illustrer le siège qui loge la fenêtre et le manchon. La figure 3 est une vue en coupe transversale localisée agrandie de la partie d'extrémité distale de l'ensemble de tube de guidage, illustrant l'ensemble de joint métal sur saphir à haute température de la présente invention. La figure 3a est une vue localisée agrandie du joint en verre entre le manchon de montage en platine et la fenêtre en saphir. La figure 3b est une vue en coupe transversale localisée agrandie du joint de brasage entre le manchon en platine et la fenêtre en saphir. Description En faisant à présent référence aux figures sur lesquels des numéros de référence identiques indiquent des caractéristiques ou éléments structurels similaires de la présente invention, un injecteur de carburant instrumenté configuré conformément à un mode de réalisation préféré de la présente invention et indiqué généralement par le numéro de référence 10 est illustré sur la figure 1. L'injecteur de carburant 10 est du type décrit dans le brevet US 7 334 413 (Myhre). En bref, l'injecteur de carburant 10 est monté ou autrement supporté à l'intérieur de la chambre de combustion 12 du moteur à turbine à gaz 14 de manière conventionnelle. L'injecteur de carburant 10 comprend un bras d'alimentation 3 0 oblong 16 comportant une bride de support 18 pour monter l'injecteur à l'intérieur de la chambre de combustion 12. Un gicleur de carburant 20 dépend de l'extrémité distale du bras d'alimentation 16 et est conçu pour injecter ou autrement envoyer du carburant atomisé dans la chambre de combustion 12. Conformément à un mode de réalisation préféré de la présente invention, l'injecteur de carburant 10 comprend une pluralité de capteurs optiques disposés de façon circonférentielle 30, qui sont positionnés dans des hublots correspondants 24 formés dans la surface de bord avant 22 du gicleur de carburant 20. Les capteurs optiques 30 sont adaptés et configurés pour observer des conditions de combustion à l'intérieur de la chambre de combustion 12 de la turbine à gaz 14, en aval du gicleur de carburant 20, comme cela est mieux vu sur la figure la et décrit dans le brevet US 7 334 413 (Myhre). En faisant référence à la figure la, les capteurs optiques 30 sont définis, dans une partie pertinente, par un faisceau de fibres optiques revêtues d'or 34. Le faisceau de fibres revêtues 34 est disposé à l'intérieur d'un tube de guidage oblong 40, qui fournit une protection thermique et mécanique pour les fibres. De préférence, le tube de guidage 40 est formé à partir d'acier inoxydable ou à partir d'un alliage de nickel, tel que, par exemple, de l'Inconel ou un matériau similaire résistant à la température. Plus particulièrement, la partie d'extrémité distale du faisceau de fibres 34 est maintenue par un tube de petite taille en platine ou alliage de platine 35 qui est serti autour des fibres. L'extrémité distale du tube serti 35 est polie, et, conjointement au faisceau de fibres 34, elle est maintenue en place à l'intérieur du tube de guidage 40 par une force de compression qui est appliquée au cours de l'installation. Le tube de guidage assemblé 40 est alors fixé mécaniquement à l'intérieur du hublot 24 du gicleur de carburant 20. Les fibres optiques 34 et le tube serti 35 se terminent dans un emplacement espacé de l'extrémité distale du tube de guidage 40. Une fenêtre oblongue en forme de tige 50 est positionnée de façon distale par rapport aux fibres optiques 34, dans un siège cylindrique 42 formé à l'intérieur de la partie d'extrémité distale du tube de guidage 40. L'extrémité distale du faisceau de fibres 34, conjointement à l'extrémité distale polie du tube 35, prend appui contre l'extrémité arrière de la fenêtre 50. Comme cela est mieux vu sur la figure 2, le siège 42 comprend une surface de paroi arrière ou un épaulement 44, et l'extrémité arrière de la fenêtre 50 prend appui contre la surface de paroi arrière 44 du siège 42. En positionnant l'extrémité arrière de la fenêtre 50 contre l'épaulement 44, la fenêtre 50 est capable de supporter les pressions externes � P � qui existent à l'intérieur de la chambre de combustion 12 d'un moteur à turbine à gaz 14, qui peuvent atteindre les 900 psi, comme cela est illustré par exemple sur la figure 3. Comme cela est représenté sur la figure 3, l'extrémité avant de la fenêtre 50 s'étend au-delà de l'extrémité distale du tube de montage 40 de sorte qu'elle soit positionnée de manière telle à obtenir une exposition à la flamme suffisante pour oxyder avantageusement des dépôts de suie sur celle-ci, comme cela est décrit par exemple dans la publication de demande de brevet US 2006-0000219-Al. La fenêtre 50 est formée à partir de saphir synthétique optiquement transparent ou un matériau similaire optiquement transparent et elle sert à joindre hermétiquement l'extrémité du tube de guidage 40. Ainsi, elle protège le faisceau de fibres optiques 34 de la contamination et des produits secondaires de combustion, qui pourraient le dégrader ou l'endommager autrement. Comme cela est mieux vu sur la figure 3, la fenêtre en saphir 50 est montée fermement à l'intérieur du siège 42 formé dans la partie d'extrémité distale du tube de guidage métallique 40 par l'intermédiaire d'un manchon de montage cylindrique 60. Le manchon de montage 60 est de préférence formé de platine ou d'un alliage de platine. Le platine est préféré car c'est un métal relativement malléable, ce qui lui permet de fournir des caractéristiques d'étanchéité satisfaisantes par rapport à la fenêtre en saphir 50 et au tube de guidage métallique 40, comme cela est décrit de façon plus détaillée ci-dessous. En faisant référence à la figure 3, une partie d'extrémité avant du manchon de montage en platine 60 est jointe au tube de guidage métallique 40 pour former un joint hermétique à l'extrémité avant du siège 42 et une partie d'extrémité arrière de manchon de montage 60 est jointe à la fenêtre en saphir 50 pour former un joint hermétique à l'extrémité arrière du siège 42 adjacent aux fibres optiques 34. Plus particulièrement, comme cela est représenté sur la figure 3b, la partie d'extrémité avant du manchon de montage en platine 60 est jointe au tube de guidage métallique 40 par brasage. Une brasure typique comprend 28 % de nickel et 72 % de cuivre. Comme cela est mieux vu sur la figure 3a, la partie d'extrémité arrière du manchon de montage en platine est jointe à la surface périphérique extérieure de la fenêtre en saphir 50 en utilisant un verre à haute température. Du verre est préférable car il adhère bien à la surface extérieure de la fenêtre en saphir 50. En effet, le saphir et le platine possèdent des caractéristiques de dilatation thermique similaires. A savoir, le saphir et le platine possèdent des coefficients relativement similaires de dilatation thermique linéaire. Au cours de l'assemblage, le verre qui est utilisé pour joindre la fenêtre en saphir au manchon en platine est introduit dans l'assemblage sous forme de fritte dans un support liquide. La fritte de verre se liquéfie lorsqu'elle est chauffée, et le verre s'écoule par action capillaire dans un espace de petite taille entre la fenêtre 50 et le manchon de montage 60, comme cela est illustré sur la figure 3a. Le manchon de montage en platine relativement malléable 60 fournit un tampon de dilatation thermique entre la fenêtre en saphir 50 et le tube de guidage métallique 40. Ceci permet aux deux matériaux de se dilater l'un par rapport à l'autre sous les températures de fonctionnement extrêmes qui sont présentes à proximité de la flamme du brûleur, sans affecter l'intégrité du joint en verre positionné à l'extrémité arrière de la fenêtre. Ainsi, en dépit des différences de dilatation thermique entre le tube de guidage métallique 40 et la fenêtre en saphir 50, le manchon de montage en platine 60 garde le joint en verre intact. Cela veut dire que la malléabilité du manchon de montage en platine 60 s'adapte aux coefficients relativement dissimilaires de dilatation thermique linéaire de l'Inconel et du saphir. L'homme du métier appréciera facilement qu'il y a un espace libre dimensionnel approprié entre le diamètre extérieur du manchon de montage 60 et le 2 0 diamètre intérieur du siège 42 formé à l'extrémité distale du tube de guidage 40 pour contenir la dilatation thermique relative des deux composants, à la fois de façon linéaire et de façon radiale. Bien que la présente invention ait été représentée et décrite en faisant référence à des modes de réalisation préférés, l'homme du métier appréciera 25 facilement que divers changements et/ou diverses modifications peuvent être apportés à celle-ci sans s'éloigner de l'esprit et/ou de la portée de la présente description. REVENDICATIONS1. Ensemble de joint pour un capteur optique, caractérisé en ce qu'il comprend : a) un tube de guidage métallique (40) oblong comportant une partie d'extrémité distale définissant une extrémité distale ouverte et une paroi arrière intérieure ; b) une fenêtre en saphir (50) disposée à l'intérieur de la partie d'extrémité distale du tube de guidage métallique (40), ladite fenêtre en saphir (50) comportant une surface d'extrémité arrière prenant appui contre la paroi arrière intérieure de la partie d'extrémité distale du tube de guidage métallique (40) ; et c) un manchon de montage (60) en platine pour fixer la fenêtre en saphir (50) au tube de guidage métallique (40), le manchon de montage (60) en platine comportant une partie jointe au tube de guidage métallique (40) et une autre partie jointe à la fenêtre en saphir (50). 2. Ensemble de joint selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie d'extrémité avant du manchon de montage (60) en platine est jointe au tube de guidage métallique (40). 3. Ensemble de joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie d'extrémité avant du manchon de montage (60) en platine est brasée sur le tube de guidage métallique (40). 4. Ensemble de joint selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie d'extrémité arrière du manchon de montage (60) en platine est jointe à la fenêtre en saphir (50). 25 5. Ensemble de joint selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie d'extrémité arrière du manchon de montage (60) en platine adhère à la fenêtre en saphir (50) avec du verre. 6. Ensemble de joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface 30 d'extrémité arrière de la fenêtre en saphir (50) est en communication optique avec des fibres optiques (34) disposées à l'intérieur du tube de guidage métallique (40).20 7. Ensemble de joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fenêtre en saphir (50) prend la forme de tige oblongue en saphir. 8. Ensemble de joint selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une partie d'extrémité avant de la tige oblongue en saphir s'étend vers l'extérieur à partir de l'extrémité distale ouverte du tube de guidage (40). 9. Ensemble de joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube de guidage (40) métallique est formé à partir d'un alliage à base de nickel. 10 10. Injecteur (10) de carburant pour un moteur à turbine à gaz (14) caractérisé en ce qu'il comprend : a) un corps de gicleur (20) comportant une surface de bord avant (22) avec un hublot optique (24) formé dans celle-ci ; 15 b) un tube de guidage métallique (40) disposé à l'intérieur du hublot optique (24) du corps de gicleur (20), le tube de guidage métallique (40) comportant une partie d'extrémité distale définissant une extrémité distale ouverte et une paroi arrière intérieure ; c) une tige oblongue en saphir disposée à l'intérieur de la partie d'extrémité distale 20 du tube de guidage métallique (40), la tige en saphir comportant une surface d'extrémité arrière prenant appui contre la paroi arrière intérieure du tube de guidage métallique (40) et une partie d'extrémité avant s'étendant vers l'extérieur à partir de l'extrémité distale ouverte du tube de guidage métallique (40) ; et d) un manchon de montage (60) en platine pour fixer la tige en saphir au tube de 25 guidage (40), le manchon de montage (60) en platine comportant une partie jointe au tube de guidage (40) métallique et une autre partie jointe à la tige en saphir. 11. Injecteur (10) de carburant selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'une partie d'extrémité avant du manchon de montage (60) en platine est jointe au tube 30 de guidage métallique (40). 12. Injecteur (10) de carburant selon la revendication 11, caractérisé en ce que la partie d'extrémité avant du manchon de montage (60) en platine est brasée sur le tube de guidage métallique (40). 13. Injecteur (10) de carburant selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'une partie d'extrémité arrière du manchon de montage (60) en platine est jointe à la tige en saphir. 14. Ensemble de joint selon la revendication 13, caractérisé en ce que la partie d'extrémité arrière du manchon de montage (60) en platine adhère à la tige en saphir avec du verre. 10 15. Injecteur (10) de carburant selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que le tube de guidage métallique (40) est formé à partir d'un alliage à base de nickel. 16. Injecteur (10) de carburant selon la revendication 10, caractérisé en ce que la 15 surface d'extrémité arrière de la tige en saphir est en communication optique avec des fibres optiques (34) disposées à l'intérieur du tube de guidage (40) métallique.5