Brevet FR2964164A1 — publié le 20120302

L'invention se rapporte à une turbomachine comprenant un rotor dont un élément est en contact avec un fluide et soumis à des conditions extrêmes, notamment de température et de vitesse de rotation. A titre d'exemple préférentiel, l'invention vise une turbopompe d'hydrogène liquide pour un moteur de fusée. Elle concerne plus précisément un perfectionnement permettant de réaliser des mesures pariétales sur l'élément précité (dans ce cas un inducteur en forme d'hélice) conçu pour fonctionner à très basse température, puisque ledit inducteur est en contact avec l'hydrogène liquide, et à très grande vitesse de rotation, de l'ordre de 80 000 tr/min. Lesdites mesures pariétales sont principalement destinées à mieux comprendre et/ou détecter les phénomènes de cavitation au voisinage de l'élément en contact avec le fluide tel que mentionné ci-dessus, responsables de dégradations dudit élément de rotor. L'invention qui va être décrite peut concerner un équipement expérimental permettant d'étudier avec plus de précision les phénomènes de cavitation pouvant endommager un tel élément tournant, en réunissant des mesures fournies par au moins un capteur et de préférence toute une série de capteurs sensibles à des paramètres physiques différents. On peut ainsi, à partir de ces mesures, faire évoluer et optimiser la forme même dudit élément de rotor en vue de minimiser l'usure résultant de la cavitation. L'invention peut aussi s'envisager en tant qu'équipement de contrôle permanent d'une turbomachine en service, afin d'être en mesure de percevoir et évaluer la cavitation réelle et son évolution au cours du temps. On sait que le phénomène de cavitation est à l'origine d'usures caractéristiques à la surface de certaines pièces tournantes. Dans le cas évoqué ci-dessus d'une pompe cryogénique pour hydrogène liquide, on ne dispose pas de solution technique permettant des mesures pariétales sur un inducteur de pompage en forme d'hélice, fonctionnant à très basse température et à grande vitesse de rotation. On a tenté de récolter des informations significatives à l'aide de thermocouples, pendant des essais réalisés avec un tel élément de rotor (inducteur) en présence de cavitation. Cependant, ces essais ont été réalisés à température ambiante, dans l'eau et à des vitesses de l'ordre de 5 000 tr/min. De telles conditions de fonctionnement très éloignées des conditions réelles ne permettent de recueillir que des informations partielles. En outre, on ne dispose pas de solution satisfaisante pour implanter des capteurs sans perturber les conditions d'écoulement le long des parois dudit élément de rotor et pour extraire de ce rotor les signaux électriques émis par le ou les capteurs. En effet, dans de telles conditions de fonctionnement où les mesures sont réalisées dans l'hydrogène liquide, c'est-à-dire à 20°K et où les capteurs sont entraînés en rotation à près de 80 000 tr/min, les problèmes à résoudre sont nombreux. Il faut que les capteurs mis en place sur l'élément précité (ledit inducteur) ainsi que les fils de connexion de ceux-ci, puissent tenir mécaniquement sur cette partie tournante aux conditions extrêmes précitées. Il faut que les capteurs, quels que soient leurs emplacements, puissent être fixés de façon fiable sur l'élément tournant. Il faut surtout que le mode d'implantation des capteurs qui doivent être montés sur la paroi de l'élément tournant en contact avec le fluide, n'ait pas de conséquence sur l'écoulement de ce fluide le long des parois dudit élément tournant. Il faut enfin pouvoir extraire sans perturbation les signaux émis par le ou chaque capteur, jusqu'au stator, pour pouvoir les mesurer et les exploiter. L'invention permet de résoudre tous ces problèmes. Plus particulièrement, l'invention concerne une turbomachine comprenant un rotor muni d'un élément en contact avec un fluide et un corps formant stator, abritant ledit rotor, caractérisée en ce que ledit élément est équipé d'au moins un capteur de mesure d'un paramètre physique à contrôler, en ce que des fils de connexion dudit capteur sont reliés à une première unité de transmission radiofréquence munie d'une première antenne inductive et en ce que ledit corps formant stator comporte une seconde unité de transmission radiofréquence munie d'une seconde antenne inductive couplée à ladite première antenne inductive. Dans la définition qui précède et pour une turbomachine formant pompe cryogénique, l'élément tournant précité est un inducteur de pompage en forme d'hélice. Pour certains types de capteur, comme par exemple un capteur de pression ou un capteur de température, chaque capteur est logé dans une creusure superficielle ouvrant sur une face de l'élément de rotor en contact avec le fluide. Le capteur est positionné en affleurement de la paroi dans la creusure et celle-ci est rebouchée à ras par une colle structurale ou un matériau de remplissage analogue. De plus, la creusure est prolongée par un perçage débouchant dans un espace axial du rotor. Les fils de connexion du capteur sont engagés dans ce perçage et s'étendent dans ledit espace axial pour être connectés à ladite première unité de transmission radiofréquence. Cette unité de transmission radiofréquence, solidaire du rotor, est située à une extrémité de celui-ci éloignée de celle où se trouve l'élément du rotor en contact avec le fluide. Ainsi, on peut envisager d'implanter de cette façon un ou plusieurs capteurs de pression, chacun placé en un emplacement prédéterminé et affleurant à la surface de l'élément. Un type préconisé de capteur de pression est un capteur à semi-conducteur agencé en pont de Wheastone. Par exemple, un tel capteur de pression est commercialisé par la firme Kulite, sous la référence LL1-072. Un autre type de capteur susceptible d'être implanté de cette façon à la surface de l'élément précité est un capteur de température. On peut utiliser un type de sonde résistive, en platine, connu en soi. Par exemple, on peut utiliser une sonde commercialisée par la firme Thermoest sous la référence PT100S220. Pour une bonne perception des phénomènes de cavitation, il est en outre important de pouvoir connaître les efforts axiaux et/ou radiaux s'exerçant sur l'élément tournant objet de l'étude. On utilisera par exemple un ou plusieurs capteurs à jauge de contrainte. Cependant, il n'est pas nécessaire qu'un tel capteur soit en affleurement avec la surface de l'élément en contact avec le fluide. Il peut au contraire être simplement posé et fixé à l'intérieur du moyeu du rotor. La fixation se fait par collage, au moyen d'une colle classique dédiée à la fixation des jauges de contrainte. Les capteurs à jauge de contrainte sont ainsi fixés à la surface d'une partie de l'élément est en contact avec le fluide mais en dehors du flux créé par l'inducteur. Par exemple, la turbomachine est équipée d'au moins un capteur d'efforts disposé pour mesurer les efforts essentiellement longitudinaux et d'au moins un capteur d'efforts disposé pour mesurer des efforts essentiellement radiaux. Pour ce qui concerne les moyens électroniques de transmission radiofréquence, la turbomachine est avantageusement caractérisée en ce que ladite première unité de transmission radiofréquence comporte des moyens de conversion analogique-numérique, en ce que le ou chaque capteur est connecté, via des moyens d'amplification, à ces moyens de conversion analogique-numérique et en ce que lesdits moyens de conversion sont associés à un modulateur-démodulateur lui-même couplé à ladite première antenne inductive. Par ailleurs, ladite première unité de transmission radiofréquence comprend un circuit d'alimentation en courant continu, incluant des moyens de redressement d'une porteuse haute fréquence reçue par ladite première antenne inductive. Avantageusement, ladite seconde unité de transmission radiofréquence comporte un générateur de porteuse radiofréquence et un modulateur-démodulateur couplé à ladite seconde antenne inductive. Cette dernière transmet donc l'énergie nécessaire à l'alimentation des circuits électroniques situés dans la partie tournante. Elle reçoit aussi le signal radiofréquence modulé par les informations représentatives des signaux délivrés par les capteurs, assure leur démodulation et l'amplification de ces signaux démodulés, en vue de leur exploitation. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'une turbopompe conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faire en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue d'une turbopompe représentée en coupe axiale ; - la figure 2 est une vue de détail en perspective de l'inducteur 30 de la turbopompe de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue de détail illustrant l'implantation d'un capteur à la surface de l'inducteur de la figure 2 ; et - la figure 4 est un schéma bloc des moyens électroniques de transmission radiofréquence permettant d'extraire les informations 35 délivrées par les capteurs. La turbomachine représentée sur la figure 1 est une turbopompe 11 pour hydrogène liquide. Elle est destinée à prendre place dans un moteur de fusée. Ces éléments essentiels sont globalement connus et ne seront pas décrits en détails. On distingue un boîtier formant le stator 13 dans lequel est définie une entrée 15 pour l'hydrogène liquide. Celui-ci est introduit sous pression et rencontre un inducteur 17 (l'élément tournant précité) en forme d'hélice, appartenant à un rotor 18 et monté à une extrémité de celui-ci, en regard de l'entrée 15. Une turbine 19 est alimentée par de l'hydrogène gazeux qui permet d'entrainer l'inducteur. Cet hydrogène est évacué par une sortie annulaire 22 tandis que l'hydrogène liquide, sous forte pression, est évacué par le conduit 20. Le rotor 18 est monté à l'intérieur d'une cavité axiale du stator 13. Il est porté par des roulements 24, 25. L'extrémité du rotor 18, opposée à celle qui porte l'inducteur 17 porte axialement une première unité de transmission radiofréquence 27 munie d'une première antenne inductive 28. Le stator 13 abrite quant à lui une seconde unité de transmission radiofréquence 31 munie d'une seconde antenne inductive 32, couplée à ladite première antenne 28. Autrement dit, ladite première antenne 28 tourne à grande vitesse en regard de la seconde antenne 32, fixe. Les deux antennes, coaxiales, sont séparées par un faible espace défini entre l'extrémité arrière du rotor (éloigné de l'inducteur) et un support fixe 34 du stator portant à la fois la seconde antenne et la seconde unité de transmission radiofréquence. Comme on le voit sur la figure 1, un espace 36 est défini axialement à l'intérieur du moyeu de l'inducteur 17 et se prolonge jusqu'à l'arrière du rotor, c'est-à-dire jusqu'à ladite première unité de transmission radiofréquence, par un passage annulaire 38. Il y a donc possibilité de faire passer plus de cent fils de connexion entre le dit espace creux 36 du moyeu de l'inducteur et ladite première unité de transmission radiofréquence. Ceci permet de réaliser des connexions électriques entre plusieurs capteurs installés sur l'inducteur et cette première unité de transmission radiofréquence. Ces capteurs sont principalement des capteurs de pression 41 et des capteurs de température 43. Un capteur de pression est par exemple constitué de 4 semiconducteurs agencés en pont de Wheastone tandis qu'un capteur de températures peut être une sonde de platine, résistive. Ces capteurs sont placés dans des creusures superficielles 45 ouvrant sur les faces de l'élément tournant (l'inducteur 17) en contact avec le fluide, c'est-à-dire l'hydrogène liquide. Chaque capteur est positionné en affleurement de la paroi dans ladite creusure 45 (voir figure 3) et celle-ci est rebouchée à ras par une colle structurale 49 ou un matériau de remplissage analogue, remplissant ladite creusure. Son remplissage est fait de sorte que l'état de surface de l'inducteur ne soit pas modifié par l'implantation du capteur. En outre, chaque creusure est prolongée par un perçage 47 débouchant dans l'espace axial 36 dudit élément tournant (l'inducteur). Les fils de connexion 42 reliés au capteur sont engagés dans ce perçage et traversent longitudinalement le passage annulaire 38 jusqu'à être connectés à ladite première unité de transmission radiofréquence 28 située à l'autre extrémité du rotor. La partie tournante comportant l'inducteur est en outre équipée d'au moins un capteur d'efforts à jauge de contrainte, fixé à la surface d'une partie qui est également en contact avec le dit fluide, c'est-à-dire l'hydrogène liquide. Comme visible sur la figure 1, on distingue au moins un capteur d'effort 52 disposé pour mesurer des efforts essentiellement longitudinaux et au moins un capteur d'effort 53 disposé pour mesurer des efforts radiaux et des couples d'efforts. Ces capteurs sont simplement collés à l'intérieur d'une espace disponible dans la partie tournante et reliés par des fils électriques à ladite première unité de transmission radiofréquence, via le passage annulaire 38. Les capteurs ne sont pas en contact direct avec le flux créé par l'inducteur. Sur la figure 4, on a représenté très schématiquement la première unité de transmission radiofréquence 27 munie de la première antenne inductive 28. Cette première unité est portée par le rotor 18 et ses composants se situent dans l'inducteur 17 pour ce qui concerne les capteurs et, pour le reste, dans la partie du rotor la plus éloignée de l'inducteur, axialement. Tous ces composants, y compris l'antenne 28, sont entraînés en rotation à la vitesse du rotor. Le stator 13 abrite quant à lui la seconde unité de transmission radiofréquence 31 munie de la seconde antenne inductive 32 couplée à ladite première antenne inductive 28. La première unité de transmission de radiofréquence comporte, reliée à l'antenne, un sous-ensemble 60 constituant un convertisseur analogique-numérique et un modulateur-démodulateur, celui-ci étant plus particulièrement connecté à l'antenne 28. On a représenté un capteur de chaque catégorie sachant, comme indiqué ci-dessus, qu'il y en a de préférence plusieurs dans chaque 0 catégorie. On comprend que le nombre de circuits connectés entre les capteurs et le convertisseur analogique-numérique est égal au nombre de capteurs. Sur la figure 4 on distingue un capteur de température 43 relié à une entrée d'un amplificateur différentiel 65 dont la sortie est connectée à une entrée du convertisseur. Un circuit logique de contrôle 66 équipé de mémoires EEProm permet notamment de régler le gain de l'amplificateur et le seuil de fonctionnement. Il reçoit un signal d'un capteur de température 67 situé au voisinage des composants de la première unité de transmission radiofréquence 27 (c'est-à-dire à l'opposé de l'inducteur), 20 permettant de vérifier que cette dernière est bien dans une plage prédéterminée de températures, garantissant que les circuits de mesure fonctionnent dans des conditions normales. Les caractéristiques du circuit d'amplification peuvent être modifiées à distance par des signaux captés par l'antenne 28 démodulés et appliqués à une entrée du circuit logique 25 de contrôle 66, ceci pour chaque capteur de température. Les circuits de traitement des signaux générés par les capteurs d'efforts 52, 53 sont semblables à ceux qui traitent les signaux des capteurs de température. On retrouve un amplificateur 65a et un circuit logique de contrôle 66a. 30 De plus, la première unité de transmission radiofréquence comprend un circuit d'alimentation en courant continu 69 incluant des moyens de redressement d'une porteuse radiofréquence captée par l'antenne 28. Ce circuit d'alimentation fournit la tension continue nécessaire au fonctionnement des amplificateurs et des circuits logiques de contrôle installés dans le rotor. Cette alimentation 69 est aussi reliée à chaque capteur de pression 41 en pont de Wheastone, pour l'alimentation de ce dernier. La diagonale de sortie du pont est reliée par deux fils à l'entrée d'un amplificateur 71 dont la sortie est reliée à une autre entrée du convertisseur analogique-numérique. Un circuit logique de commande 73 de l'amplificateur 71 est piloté via l'antenne, le modulateur-démodulateur et le convertisseur analogique-numérique. Ce circuit logique de commande contient des données stockées telles que des courbes d'étalonnage. Il reçoit aussi le signal d'un capteur local de température 75 semblable au capteur 67. Il pilote le gain et opère les réglages de seuil de l'amplificateur 71. La seconde unité de transmission radiofréquence 31 logée dans le stator 13, comporte un générateur de porteuse radiofréquence 79 relié à un autre sous-ensemble 80 formant modulateur-démodulateur et convertisseur numérique-analogique. La sortie de ce dernier est reliée à un amplificateur 83. Le modulateur-démodulateur est couplé à l'antenne 32, les séquences de modulation-démodulation sont générées par un microprocesseur 85. REVENDICATIONS1. Turbomachine comprenant un rotor (18) muni d'un élément (17) en contact avec un fluide et un corps formant stator (13), abritant ledit rotor, caractérisée en ce que ledit élément est équipé d'au moins un capteur de mesure (41, 43, 52, 53) d'un paramètre physique à contrôler, en ce que des fils de connexion (42) dudit capteur sont reliés à une première unité de transmission radiofréquence (27) munie d'une première antenne inductive (28) et en ce que ledit corps formant stator comporte une seconde unité de transmission radiofréquence (31) munie d'une seconde antenne inductive (32) couplée à ladite première antenne inductive. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit élément (17) est un inducteur de pompage en forme d'hélice. 3. Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'un capteur précité est logé dans une creusure superficielle (45) ouvrant sur une face dudit élément en contact avec ledit fluide, en ce que ledit capteur est positionné en affleurement de ladite paroi dans ladite creusure, en ce que celle-ci est rebouchée à ras par une colle structurale (49) ou matériau de remplissage analogue, en ce que ladite creusure est prolongée par un perçage (47) débouchant dans un espace axial (36) dudit élément et en ce que lesdits fils de connexion (42) sont engagés dans ledit perçage et connectés à ladite première unité de transmission radiofréquence, cette dernière étant située à une extrémité dudit rotor éloignée dudit élément (17) en contact avec le fluide. 4. Turbomachine selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un capteur précité est un capteur de pression (41) agencé en pont de Wheastone. 5. Turbomachine selon la revendication 3, caractérisée en ce 30 qu'un capteur précité est un capteur de température (43), de préférence une sonde de platine résistive. 6. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un capteur d'efforts (52, 53), en contact avec ledit fluide mais en dehors du flux créé par ledit inducteur. 35 7. Turbomachine selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un capteur d'efforts (52) disposé pour mesurer des efforts essentiellement longitudinaux et au moins un capteur d'efforts (53) disposé pour mesurer des efforts essentiellement radiaux. 8. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite première unité de transmission radiofréquence (27) comporte des moyens de conversion analogique-numérique, en ce que le ou chaque capteur est connecté, via des moyens d'amplification, à ces moyens de conversion analogique-numérique et en ce que lesdits moyens de conversion sont associés à un modulateur-démodulateur lui-même couplé à ladite première antenne inductive (28). 9. Turbomachine selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite première unité de transmission radiofréquence (27) comprend un circuit d'alimentation en courant continu (69), incluant des moyens de redressement d'une porteuse haute fréquence reçue par ladite première antenne inductive (28). 10. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite seconde unité de transmission radiofréquence (31) comporte un générateur de porteuse radiofréquence (79) et un modulateur-démodulateur couplé à ladite seconde antenne inductive (32).