Brevet FR2990754A1 — publié le 20131122

DISPOSITIF DE MESURE DES AMPLITUDES VIBRATOIRES DES SOMMETS D'AUBES DANS UNE TURBOMACHINE La présente invention concerne un dispositif de mesure des amplitudes vibratoires des sommets d'aubes dans une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. De manière connue, une turbomachine comprend une turbine dont le rotor est entrainé en rotation par le flux de gaz chauds sortant d'une chambre annulaire de combustion agencée en amont. Le rotor porte une ou plusieurs roues d'aubes disposées en alternance avec des rangées annulaires d'aubes fixes dans un carter. Lors du fonctionnement de la turbomachine, il est important de connaître la déformation des aubes mobiles. A cette fin, il est connu de monter sur le carter des capteurs dont l'élément sensible est agencé au droit des aubes mobiles. L'élément sensible de chaque capteur permet de détecter le passage d'un sommet d'aube (connu en anglais sous le terme de « tip timing ») afin de déterminer par comparaison entre le temps de passage théorique d'un sommet d'aube et le temps de passage mesuré le mode de déformation de l'aube, en flexion, en torsion..., ainsi que l'intensité de la déformation. La demanderesse a déjà proposé dans sa demande FR1155983 d'utiliser des capteurs de type capacitif dans une soufflante ou un compresseur basse pression de turbomachine. Toutefois, ces capteurs ne peuvent être montés dans une turbine du fait de l'importante température qui y règne et qui est de l'ordre de 1000°C. De plus, dans l'état de la technique actuelle, ces capteurs capacitifs ont une faible résolution temporelle ne permettant pas d'obtenir des mesures de déformations inférieures à 100 pm, ce qui correspond à l'ordre de grandeur des déformations potentiellement subies par les sommets des aubes lorsque celles-ci sont réalisées en matériau composite à matrice céramique. Pour remédier à ces difficultés, on a proposé d'utiliser des sondes 2 990 754 2 optiques pour détecter les temps de passage des aubes. Classiquement, ces sondes comprennent au moins deux fibres optiques dont l'une est reliée à des moyens d'émission d'une source de lumière et dont l'autre reçoit et transmet la lumière réfléchie par le sommet d'aube jusqu'à des 5 moyens de traitement. Toutefois, ces sondes optiques initialement conçues pour une intégration dans un compresseur de turbomachine sont peu adaptées à une utilisation dans l'environnement chaud de la turbine. Il serait possible de les refroidir en fonctionnement en amenant par exemple de l'air froid depuis le compresseur haute pression agencé en amont de la 10 chambre de combustion. Toutefois, une telle solution pénaliserait fortement le rendement et la poussée produite par la turbomachine en prélevant de l'air comprimé servant à la combustion. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces différents problèmes. 15 A cette fin, elle propose un dispositif de mesure des amplitudes vibratoires des sommets d'aubes dans une turbomachine, comprenant un support monté dans un orifice d'un carter d'une turbomachine et dans lequel sont logés deux guides optiques débouchant à l'intérieur du carter en regard des sommets des aubes d'une roue de turbine, l'un des guides 20 optiques étant relié à une source de lumière pour la propagation d'un signal lumineux jusqu'aux sommets d'aube et l'autre guide optique étant reliée à des moyens de traitement et d'analyse du signal lumineux réfléchi par les sommets d'aube, caractérisé en ce que chaque guide optique comprend une fibre optique reliée par un connecteur mécanique à une aiguille dont 25 l'âme est réalisée dans un matériau apte à transmettre un signal lumineux et résistant à des températures inférieures ou égales à 1100 °C et qui débouche à son extrémité distale à l'intérieur du carter en regard des sommets d'aube. Dans le dispositif selon l'invention, une aiguille ayant une âme 30 réalisée dans un matériau apte à transmettre un signal lumineux et résistant à des températures inférieures ou égales à 1100 °C est bien intégrable dans l'environnement chaud de la turbine. Chaque aiguille est reliée à une fibre optique dont la souplesse permet son agencement dans un environnement complexe tel que celui d'une turbomachine. Le dispositif selon l'invention comprend par ailleurs deux aiguilles et deux fibres optiques distinctes et non pas une seule aiguille reliée à son extrémité proximale à deux fibres optiques car l'interface entre l'aiguille et la fibre optique induit une forte réflexion du signal lumineux qui est plus importante que le signal réfléchi par un sommet d'aube, ce qui poserait des difficultés de détection du signal réfléchi par les sommets d'aubes. Préférentiellement, le support est monté dans un orifice d'un bossage du carter et comprend une collerette formée sur sa surface externe sur laquelle est monté en butée radialement depuis l'extérieur un organe de blocage du support sur le bossage, cet organe étant fixé de manière détachable au bossage. Dans une réalisation particulière de l'invention, l'organe de blocage est formé par un écrou monté autour du support et vissé sur une surface interne filetée de l'orifice du bossage. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque connecteur comprend un tube fendu axialement dans lequel sont maintenues en contact l'extrémité proximale de l'aiguille et l'extrémité distale de la fibre optique. Ce tube assure un maintien bout à bout par serrage de l'extrémité proximale de l'aiguille et de l'extrémité distale de la fibre optique pour la transmission du signal lumineux. Selon une autre caractéristique de l'invention, le support comprend deux logements tubulaires convergeant vers l'intérieur de la turbomachine sur les sommets d'aubes et débouchant à l'intérieur du carter et dans lesquels sont insérées depuis l'extérieur les aiguilles des guides optiques. Avec cet arrangement, il est possible d'agencer les deux aiguilles 30 afin que leurs axes convergent vers les sommets d'aubes, ce qui permet de garantir que l'on va détecter un signal lumineux réfléchi par un sommet d'aube et non pas par une autre partie de l'aube. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque guide optique comprend une douille montée autour de la partie d'extrémité proximale de l'aiguille, cette douille comportant un rebord annulaire externe venant en butée radialement vers l'intérieur sur un épaulement radial interne du logement du support dans lequel est montée l'aiguille du guide optique. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque aiguille est retenue radialement vers l'extérieur dans son logement par une pièce cylindrique montée autour de la partie d'extrémité distale de la fibre optique et en butée axiale en direction de l'aiguille sur un rebord annulaire externe de ladite partie d'extrémité distale, la pièce cylindrique comportant une surface externe filetée qui est vissée dans une surface interne filetée du logement. L'aiguille de chaque guide optique est ainsi maintenue radialement dans son logement, par le rebord annulaire externe de la douille venant en butée sur l'épaulement radial interne du logement et par la pièce cylindrique vissée dans le logement et appliquée sur le rebord annulaire de la partie d'extrémité distale de la fibre optique à laquelle l'aiguille est reliée. Le rebord annulaire de la partie d'extrémité distale de chaque fibre optique peut être formé avec une pièce rapportée sertie autour de ladite partie d'extrémité distale. Dans une réalisation particulière de l'invention, l'âme de l'aiguille est entourée par une gaine métallique, telle que du titane. Avantageusement, la face distale de l'âme de l'aiguille est décalée radialement vers l'intérieur par rapport à l'extrémité distale de la gaine, ce qui évite la formation d'oxyde métallique sur la face distale de l'âme de l'aiguille. L'âme est préférentiellement réalisée en saphir. L'utilisation du saphir permet l'insertion des aiguilles du dispositif à l'intérieur d'une turbine sans risque de dégradation thermique du fait que le saphir résiste bien à haute température. L'utilisation d'une gaine métallique ayant un faible coefficient de dilatation thermique permet de limiter la dilatation de l'aiguille dans son logement. De plus, le saphir a un coefficient de dilatation très faible, ce qui permet de limiter les écarts de dilatations thermiques entre la gaine métallique et l'âme en saphir. Selon l'invention, la source de lumière émet un faisceau de longueur d'onde centrée sur une longueur d'onde inférieure aux longueurs d'ondes des radiations émises dans la turbine. Avantageusement, les moyens de traitement et d'analyse comprennent un filtre passe-bas pour le filtrage des longueurs d'onde supérieures à la longueur d'onde de la source de lumière. Dans une réalisation particulière, la source de lumière émet un faisceau de longueur d'onde centrée sur 405 nm. L'invention propose également une chaine de mesure des amplitudes vibratoires des sommets d'aubes dans une turbomachine, caractérisé en ce qu'elle comprend un dispositif tel que décrit ci-dessus, l'un des guides optiques étant relié à son extrémité proximale à une source d'émission laser et l'autre des guides optiques étant relié à son extrémité distale à des moyens d'amplification, d'échantillonnage, de conversion et de transfert des données vers des moyens de traitement. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe transverse du dispositif selon l'invention agencé sur un carter de turbine d'une turbomachine ; la figure 2 est une vue schématique à plus grande échelle de la zone délimitée en pointillés sur la figure 1 ; la figure 3 est une vue schématique d'un logement du support du dispositif selon l'invention ; la figure 4 est une vue schématique en perspective depuis l'extérieur du carter du dispositif de la figure 1 ; la figure 5 est une vue schématique de l'extrémité distale d'un guide optique du dispositif selon l'invention ; la figure 6 est une vue schématique en coupe d'un guide optique du dispositif selon l'invention ; les figures 7 et 8 sont des vues schématiques de côté du guide optique de la figure 4; la figure 9 est une représentation schématique d'une chaîne de mesure comportant le dispositif selon l'invention. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente un dispositif 10 selon l'invention monté sur un carter 12 entourant extérieurement des rangées annulaires d'aubes fixes et des roues à aubes disposées axialement en alternance les unes avec les autres. La figure 1 est une vue selon un plan de coupe perpendiculaire à l'axe de la turbine, passant par une roue à aubes 14 et par le dispositif selon l'invention. Le dispositif 10 selon l'invention comprend un support 16 monté dans un orifice radial d'un bossage 18 du carter 12. Deux guides optiques 20, 22 sont montés dans le support 16 et débouchant à leurs extrémités distales à l'intérieur du carter 12, l'un 20 des guides optiques étant un guide optique d'émission 20 relié à une source de lumière pour la propagation d'un signal lumineux jusqu'aux sommets d'aubes 26 et l'autre étant un guide optique de réception 22 qui reçoit le signal réfléchi par les sommets d'aubes 26 et le transfère à une unité de traitement. La chaine de mesure associée au dispositif 10 sera décrite plus en détail ultérieurement. Le support 16 comprend trois parties sensiblement cylindriques, une première partie proximale 28 de diamètre externe plus grand que celui de la seconde partie intermédiaire 30 elle-même de diamètre externe plus grand que celui de la troisième partie distale 32. La première partie proximale 28 et la seconde partie intermédiaire 30 du support 16 sont séparées l'une de l'autre par une collerette annulaire 34 formée en saillie radialement vers l'extérieur sur le pourtour du support 16. Les deuxième partie intermédiaire 30 et troisième partie distale 32 du support 16 sont montées dans une ouverture d'une pièce de centrage 36 engagée depuis l'extérieur dans le bossage et bloquée radialement vers l'intérieur par un rebord annulaire 38 externe venant en butée sur un épaulement interne 40 du bossage 18. La pièce de centrage 36 comprend une première partie 42 dont le diamètre interne permet le montage de la deuxième partie intermédiaire 30 du support 16 et une deuxième partie 44 dont le diamètre interne est plus petit et ne permet le passage que de la troisième partie distale 32 du support 16, de manière à bloquer radialement vers l'intérieur le support 16 dans le bossage 18. Une cale annulaire 46 est intercalée entre la pièce de centrage 36 et la collerette 34 du support 16. La modification de l'épaisseur radiale de la cale permet d'ajuster la position radiale des extrémités distales des guides optiques 20, 22 à l'intérieur du carter 12, par rapport aux sommets d'aubes. Un écrou 48 est monté autour de la première partie proximale 28 du support 16 et est vissé sur une surface interne filetée de l'extrémité radialement externe de l'orifice du bossage 18. Cet écrou 48 vient en butée sur la collerette 34 du support et assure un blocage radialement vers l'extérieur du support 16 dans le bossage 18. Le support 16 comprend deux logements tubulaires distincts 50 (une représentation schématique isolée d'un logement est montrée en figure 3) débouchant à l'intérieur du carter et dont les axes convergent vers l'intérieur de la turbomachine et se coupent au niveau d'un sommet d'aube lorsqu'une aube est alignée avec l'axe du support 16. Chaque logement 50 est formé de trois parties tubulaires 52, 54, 56 dont les sections internes diminuent vers radialement l'intérieur et sont séparées les unes des autres par des épaulements radiaux 58, 60 de la surface interne des logements 50 (figures 2 et 3). Les première 52 et seconde 54 parties tubulaires de chaque logement 50 s'étendent dans la première partie 28 du support 16 et la troisième partie tubulaire 56 de chaque logement 50 s'étend partiellement dans la première partie 28 du support 16 et dans les deuxième et troisième parties 30, 32 du support. Chaque guide optique 20, 22 est formé par une fibre optique 61, 62 reliée par un connecteur 64 à une aiguille 65, 66 insérée dans un logement 50 du support 16 et débouchant radialement vers l'intérieur dans le carter 12 en regard des sommets 26 d'aubes (figures 1 et 6 à 7). Les fibres optiques 61, 62 des guides optiques 20, 22 sont logées dans une gaine souple 68 de protection (figure 4). La description donnée ci-dessous en référence au guide optique de réception 22 s'applique de manière identique au guide optique d'émission 10 20. L'aiguille 66 comprend une âme 70 en saphir entourée par une gaine métallique 72 ayant un faible coefficient de dilatation thermique lequel est inférieur au coefficient de dilatation thermique du saphir de manière à limiter la dilatation de l'âme en saphir dans le support 16. L'âme 70 en 15 saphir est rendu solidaire de la gaine métallique 72 au moyen d'une colle céramique 74 résistante à haute température (figures 5 et 6). En fonctionnement, la face de la couche métallique directement en contact avec les gaz chauds se recouvre d'une couche d'oxyde métallique 76, telle que par exemple une couche d'oxyde de titane lorsque la gaine est 20 en titane (figure 4). La face distale 73 de l'âme en saphir débouchant à l'intérieur du carter est décalée radialement vers l'intérieur par rapport à la gaine métallique, par exemple d'environ 0,5 mm, de manière à éviter que la couche d'oxyde recouvre partiellement la face distale de l'âme en saphir. Une douille 78 est montée autour de la partie d'extrémité proximale 25 de l'aiguille 66. Cette douille 78 comporte un rebord annulaire 80 destinée à venir en butée radialement vers l'intérieur sur l'épaulement 58 radial séparant les première 52 et seconde 54 partie tubulaires du logement 50 (figures 3 et 5). La partie d'extrémité proximale de l'aiguille 66 dépasse de la douille 78 du côté du rebord annulaire 80. 30 Une pièce annulaire 84 est sertie autour de la partie d'extrémité proximale de la fibre optique 62 et comprend un rebord annulaire externe 2 990 75 4 9 86. Un tube 82 fendu selon son axe est monté serré pour partie autour de l'extrémité distale de la fibre optique 62 et pour l'autre partie opposée autour de l'extrémité proximale de l'aiguille 66. Ce tube fendu 82 assure un 5 maintien bout à bout de l'extrémité proximale de l'aiguille 66 et de l'extrémité distale de la fibre optique 62 pour la transmission optique et un maintien en alignement de la douille 78 et de la pièce annulaire 84 pour le montage dans le logement tubulaire 50. Une pièce cylindrique 88 est montée autour de la partie d'extrémité proximale de la fibre optique 62. Cette pièce cylindrique 88 comprend un rebord annulaire 90 à son extrémité proximale venant en butée sur le rebord annulaire 86 de la pièce annulaire 84 sertie sur la partie d'extrémité proximale de la fibre optique 62. La partie distale de la pièce cylindrique 88 comprend un filetage 92 sur sa surface externe pour son vissage dans un filetage 94 correspondant de la surface interne du logement (figures 2, 3, 5 et 6). Ainsi, lorsque l'aiguille 66 est insérée dans son logement 50, elle est bloquée radialement vers l'intérieur par le rebord annulaire 80 de la douille 78 en appui sur l'épaulement 58 du logement 50 et radialement vers l'extérieur par le rebord annulaire 86 de la pièce sertie 84 en appui sur le rebord annulaire 90 de la pièce cylindrique 88 vissée dans le logement 50. Comme représenté en figure 1, les épaulements 58 du support 16 sont positionnés le long de chaque logement et les longueurs des aiguilles 66 sont déterminées de manière à ce que les extrémités distales des aiguilles 66 affleurent l'extrémité radialement interne de la troisième partie distale 32 du support 16. De cette façon, les aiguilles 66 sont protégées par le support 16 et on limite leur échauffement en fonctionnement. Les deux aiguilles 65, 66 peuvent avoir des longueurs différentes (figure 2) ou bien identique en fonction de l'encombrement disponible autour de la turbomachine. La fibre optique 62 comprend une partie centrale 94 réalisée dans un matériau assurant la propagation du signal lumineux tel que de la silice et est entourée par une gaine 96 résistante à haute température réalisée dans un matériau métallique tel que du cuivre, de l'aluminium ou de l'or. La figure 7 représente une chaine 98 de mesure des amplitudes vibratoires des sommets d'aubes dans laquelle est intégré le dispositif 10 décrit ci-dessus. La fibre optique 61 du guide optique d'émission 20 est reliée à son extrémité opposée à l'aiguille 65 à une source laser 100 par l'intermédiaire d'un connecteur 102 comportant une lentille optique et un manchon de centrage. Le signal lumineux transmis par la fibre optique 61 et l'aiguille 65 du guide optique d'émission 20 est réfléchi par un sommet d'aube et transmis à l'aiguille 66 du guide optique de réception 22 puis se propage dans la fibre optique 62 de réception. Le signal lumineux traverse ensuite une lentille 104 assurant une focalisation du signal lumineux sur une photodiode 106 permettant une conversion du signal lumineux en un signal électrique. Un filtre passe bas 108 est intercalé entre la lentille de focalisation 104 et la photodiode 106 et est configuré pour éliminer les longueurs d'ondes supérieures à la longueur d'onde du rayonnement laser. Le signal électrique est ensuite transmis à un préamplificateur 110 et à un amplificateur à gain réglable 112, à une carte d'échantillonnage 114 puis à une carte 116 de conversion du signal électrique en un signal optique pour son transfert par câble optique 118 jusqu'à des moyens de traitement 120 tels que par exemple un régulateur numérique de moteur à pleine autorité connu sous l'acronyme anglais de FADEC (« Full Authority Digital Engine Control »). Selon l'invention, l'utilisation d'une âme en saphir pour chaque aiguille 65, 66 permet un montage des aiguilles 65 66 à l'intérieur de la turbine sans risque de dégradation thermique de l'aiguille 65, 66 puisque le saphir est un matériau qui résiste bien aux températures élevées qui règnent dans une turbine et qui sont de l'ordre de 1000°C. De plus, l'utilisation d'une aiguille reliée à une fibre optique souple permet de garantir un montage du dispositif selon l'invention dans l'environnement tridimensionnel complexe du carter de la turbine. Dans un exemple pratique, la source de lumière peut émettre un faisceau laser d'une puissance d'environ 120mW et de longueur d'onde centrée sur 405 nm. Cette longueur d'onde est choisie pour être inférieure aux longueurs d'ondes des radiations émises par le flux de gaz chauds sortant de la chambre de combustion. Le filtre passe bas est configuré pour éliminer toutes les longueurs d'ondes supérieures à 450 nm. De cette manière, on élimine les longueurs d'onde situées dans le rouge et l'infra- rouge, émises par les gaz chauds issus de la chambre de combustion et l'environnement chaud de la turbine. Dans une réalisation pratique de l'invention, la gaine métallique entourant l'âme en saphir est réalisée en titane qui se recouvre en fonctionnement d'une couche d'oxyde de titane. La colle de liaison de l'âme en saphir avec la gaine métallique est par exemple du Ceramabond 569e. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure des amplitudes vibratoires des sommets d'aubes dans une turbomachine, comprenant un support (16) monté dans un orifice d'un carter d'une turbomachine et dans lequel sont logés deux guides optiques (20, 22) débouchant à l'intérieur du carter en regard des sommets (26) des aubes d'une roue de turbine, l'un des guides optiques (20) étant relié à une source de lumière pour la propagation d'un signal lumineux jusqu'aux sommets d'aube et l'autre guide optique (22) étant reliée à des moyens de traitement et d'analyse du signal lumineux réfléchi par les sommets d'aube, caractérisé en ce que chaque guide optique (20, 22) comprend une fibre optique (61, 62) reliée par un connecteur mécanique (64) à une aiguille (65, 66) dont l'âme (70) est réalisée dans un matériau apte à transmettre un signal lumineux et résistant à des températures inférieures ou égales à 1100 °C et qui débouche à son extrémité distale à l'intérieur du carter (12) en regard des sommets d'aube. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support (16) est monté dans un orifice d'un bossage du carter (12) et comprend une collerette (34) formée sur sa surface externe sur laquelle est monté en butée radialement depuis l'extérieur un organe de blocage (48) du support sur le bossage (18), cet organe (48) étant fixé de manière détachable au bossage. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe de blocage est formé par un écrou (48) monté autour du support (16) et vissé sur une surface interne filetée de l'orifice du bossage (18). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque connecteur (64) comprend un tube fendu axialement dans lequel sont maintenues en contact l'extrémité proximale de l'aiguille (65, 66) et l'extrémité distale de la fibre optique (61, 62). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support (16) comprend deux logements tubulaires (50) convergeantvers l'intérieur de la turbomachine sur les sommets d'aubes et débouchant à l'intérieur du carter (12) et dans lesquels sont insérées depuis l'extérieur les aiguilles (65, 66) des guides optiques (20, 22). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque guide optique (20, 22) comprend une douille (78) montée autour de la partie d'extrémité proximale de l'aiguille (65, 66), cette douille comportant un rebord annulaire (80) externe venant en butée radialement vers l'intérieur sur un épaulement radial interne (58) du logement (50) du support (16) dans lequel est montée l'aiguille (65, 66) du guide optique (20, 22). 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce chaque aiguille (65, 66) est retenue radialement vers l'extérieur dans son logement par une pièce cylindrique (88) montée autour de la partie d'extrémité distale de la fibre optique (61, 62) et en butée axiale en direction de l'aiguille sur un rebord annulaire externe (86) de ladite partie d'extrémité distale, la pièce cylindrique comportant un filetage (92) sur sa surface externe pour son vissage dans un filetage (94) correspondant de la surface interne du logement. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le rebord annulaire (86) de la partie d'extrémité distale de chaque fibre optique est 20 formé avec une pièce rapportée (84) sertie autour de ladite partie d'extrémité distale. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme de l'aiguille est entourée par une gaine métallique, telle que du titane. 25 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la face (73) distale de l'âme de l'aiguille est décalée radialement vers l'intérieur par rapport à l'extrémité distale de la gaine (72). 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme (70) est en saphir. 30 12. Chaine de mesure des amplitudes vibratoires des sommets d'aubes dans une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif(10) selon l'une des revendications précédentes, l'un des guides optiques étant relié à son extrémité proximale à une source laser (100) et l'autre des guides optiques étant relié à son extrémité distale à des moyens d'amplification (110, 112), d'échantillonnage (114), de conversion (116) et de transfert (118) des données vers des moyens de traitement (120).