Brevet FR3007839A1 — publié le 20150102

Domaine technique : La présente invention concerne la mesure de vitesse de rotation d'un arbre tournant dans une turbomachine Elle concerne plus particulièrement un 5 dispositif mesurant le passage de marqueurs solidaires de l'arbre devant un capteur. Etat de l'art : 10 La mesure précise de la vitesse de rotation du rotor d'une turbomachine est une préoccupation importante pour en vérifier le fonctionnement. Plus particulièrement, sur certaines installations d'essai de perte d'aube, il est nécessaire de déterminer le couple de torsion qui transite dans l'arbre 15 d'entraînement du rotor. La détermination de ce couple de torsion utilise deux mesures de vitesse de rotation de l'arbre, de part et d'autre du rotor en cours de tests. Comme le couple de torsion est déduit du déphasage entre ces deux mesures, elles doivent être faites avec une bonne précision. 20 Il est connu d'effectuer ce type de mesure par comptage du passage devant un capteur de repères répartis sur un cercle tournant avec l'arbre. Plus précisément, il existe des capteurs capacitifs pouvant mesurer des variations de densité dans un champ déterminé Il est courant de les utiliser pour mesurer le passage de dents métalliques uniformément réparties en couronne 25 sur une pièce métallique fixée sur le rotor. Le problème de cette technologie est qu'il est nécessaire de prévoir une pièce spécifique équipée de cette couronne de dents à indexer avec le moteur pour chaque mesure de vitesse. Premièrement il n'est pas toujours évident de 30 placer une telle pièce dans un module moteur complet, tel qu'on le teste souvent. Deuxièmement, la modification apportée par cette pièce risque de rendre les essais moins représentatifs des conditions de fonctionnement réelles. 35 L'invention a pour but de fournir une mesure de vitesse précise et économique tout en modifiant de manière négligeable les caractéristiques de l'ensemble tournant de la turbomachine 40 Présentation de l'invention: L'invention concerne un écrou d'axe déterminé, destiné à être vissé autour d'un arbre tournant en vue de solidariser une pièce avec ledit arbre et à 5 coopérer avec un capteur fixe de quantité de matière dans un volume déterminé pour mesurer la vitesse de rotation de l'arbre, comportant une couronne de dents séparées par des créneaux, agencées de façon à coopérer avec un outil de serrage s'insérant dans au moins un créneau, ledit écrou étant caractérisé en ce qu'au moins une partie des dents comportent au moins 10 un évidement préservant la fonction de serrage de la couronne de dents, lesdits évidements formant avec les créneaux séparant les dents autant d'intervalles de déficit de matière destinés à être détectés par ledit capteur en passant dans son volume de détection lors de la rotation de l'écrou. 15 De cette manière, les segments non évidés sur les dents de serrage constituent une couronne de motifs entraînant des variations de densité de matière en passant dans le champ de mesure d'un capteur fixe, plus nombreux que le nombre de dents. Un système de traitement approprié, réalisable par des moyens connus, permet d'améliorer la précision de la 20 mesure de vitesse par rapport au comptage du passage des dents uniquement. On est ainsi susceptible d'atteindre une précision suffisante dans la mesure de vitesse et on évite l'introduction d'une pièce spécifique venant perturber les caractéristiques de l'ensemble tournant dans l'installation. 25 Préférentiellement, chaque dent comportant au moins un évidement, les intervalles formés des créneaux et des évidements sont de longueurs circonférentielles égales et sont périodiquement répartis en azimut autour de l'axe de l'écrou. 30 Il est certain qu'une discrétisation régulière de la couronne en intervalles présentant un déficit de matière entre des intervalles pleins facilite grandement le traitement du signal envoyé par le capteur pour calculer la vitesse de rotation. De plus, cette disposition périodique constitue une sorte d'optimal car, à nombres d'intervalles égaux, les irrégularités de répartition 35 sur une discrétisation empêchent le traitement d'atteindre la précision en mesure de vitesse qui correspondrait à une discrétisation régulière utilisant des intervalles de la plus petite taille. Par ailleurs, si la géométrie initiale de la couronne de dents le permet, des exemples montrent qu'on peut aller au-delà du facteur deux en discrétisation des plots de comptage par rapport au nombre de dents avec une discrétisation régulière. De manière préférentielle également, l'évidement de la dent a une section transversale constante sur sa longueur dans la direction circonférentielle. On forme ainsi des créneaux de densité de matière et le signal mesuré est plus facile à traiter pour compter un nombre de passages devant un capteur. Avantageusement, l'évidement est un créneau pratiqué sur au moins une des faces longitudinales de la dent dans la direction circonférentielle. Cette disposition est facile à réaliser, par exemple par usinage. 15 Selon une variante de réalisation, le corps de l'écrou étant la partie agencée de façon à réaliser l'interface avec l'arbre et la pièce à solidariser, les dents sont positionnées dans le prolongement radial du corps de l'écrou. Cette disposition correspond à la configuration habituelle d'un écrou de serrage se vissant autour d'un arbre pour minimiser l'encombrement et pour faciliter 20 l'opération avec une clé de serrage. Avantageusement, tous les segments sans évidement sur les dents ont la même forme, sauf un présentant une augmentation de volume par rapport aux autres, apte à être détectée par un capteur de quantité de matière Cette 25 disposition ne change pas la périodicité générale des repères de comptage formés par les segments non évidés sur les dents. Par contre, ce segment plus volumineux crée un « top » mesuré par le capteur qui permet de compter le nombre de tours de l'arbre. 30 L'invention concerne également un dispositif de mesure de vitesse de rotation par rapport à une installation d'un arbre lié à un rotor de machine tournante, comprenant un écrou tel que décrit précédemment en position sur l'arbre pour lui solidariser une pièce, et un capteur fixe par rapport à l'installation, dont le volume de détection est positionné de façon à voir 35 passer les dents lors de la rotation de l'écrou avec l'arbre et apte à détecter les variations de quantité de matière induites par les intervalles correspondant aux évidements et aux créneaux. Le capteur étant centré sur l'anneau, il détecte le passage des segments en 40 fonction de la variation de quantité de matière passant dans son champ de 10 mesure par des moyens de traitement du signal faisant partie de l'état de la technique. Avantageusement, la pièce serrée par l'écrou est une bague intérieure de 5 roulement de l'arbre dans un palier. L'invention concerne également un dispositif de mesure de couple de torsion imprimé par un rotor de turbomachine sur l'axe le traversant comprenant un premier dispositif de mesure de vitesse sur l'arbre en amont du rotor et un 10 deuxième dispositif sur l'arbre en aval du rotor. On utilise ainsi les écrous présents sur les paliers tenant l'arbre d'entraînement du module moteur testé pour réaliser les mesures. Cela permet de réaliser des mesures de vitesse précises, donc d'en déduire 15 correctement le couple de torsion pour une configuration représentative du système opérationnel. Il entre également dans l'invention un procédé de fabrication d'un écrou tel que décrit précédemment destiné à coopérer avec un capteur fixe apte à 20 détecter des variations de quantité de matière dans un champ déterminé, en vue de mesurer la vitesse de rotation de l'écrou, comprenant les étapes suivantes : - choix d'un écrou destiné à être vissé autour d'un arbre mobile en rotation en vue de solidariser une pièce avec ledit arbre et comportant 25 une série de dents correspondant sensiblement à des portions d'un anneau de section constante autour de l'axe de l'écrou, lesdites dents formant avec les créneaux qui les séparent un motif périodique en azimut autour de l'axe et étant agencées de façon à coopérer avec un outil de serrage s'insérant dans au moins un créneau ; 30 - détermination de la taille maximale des évidements pour préserver la fonction de serrage ; - détermination de la forme des évidements pour obtenir les intervalles à détecter par le capteur en supplément des créneaux entre les dents; - usinage, préférentiellement par fraisage, des dents pour réaliser les 35 évidements. 40 Description d'un mode de réalisation de l'invention : La présente invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus 5 clairement à la lecture de la description qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 représente schématiquement un dispositif de mesure de vitesse de rotation d'un arbre au niveau d'un palier selon l'invention. La figure 2 montre schématiquement en perspective la géométrie d'un 10 secteur d'écrou selon une première variante de réalisation de l'invention. La figure 3 montre schématiquement en perspective la géométrie d'un secteur d'écrou selon une deuxième variante de réalisation de l'invention. La figure 4 montre schématiquement en perspective la géométrie d'un secteur d'écrou selon une troisième variante de réalisation de l'invention. 15 La figure 5 montre schématiquement une installation d'essai de perte d'aube d'un module moteur utilisant l'invention. Ainsi qu'illustré sur la figure 1, un écrou 1 selon l'invention est utilisé pour maintenir la bague intérieure 2 du roulement à billes 3 lié au palier 4 traversé 20 par l'arbre 5 en rotation. Le corps 6 de l'écrou 1 se présente sous la forme d'un anneau avec un filetage interne 7 qui coopère avec le filetage 8 présent sur la face radialement externe d'une plateforme 9 annulaire liée à l'arbre 5 par un disque 5a. Une couronne de dents 10 est solidaire du corps 6 de l'écrou de telle sorte qu'un outil de serrage puisse être inséré dans les 25 créneaux 11 entre les dents 10 pour visser l'écrou 1. Ces dents 10 forment des tronçons égaux, régulièrement répartis, d'un anneau de matière fixé sensiblement dans le prolongement axial du corps 6 de l'écrou, du côté opposé à celui qui appuie sur la bague intérieure 2 de roulement. La section de l'anneau dont les dents 10 forment des tronçons est constante et elle 30 s'inscrit sensiblement dans un rectangle. Les extrémités des dents 10 dans la direction circonférentielle correspondent à une section suivant un plan passant par l'axe de l'écrou et définissent les faces des créneaux dans lesquels s'insère la clé de serrage. En variante, la couronne de dents 10 peut venir de matière avec le corps 6 de l'écrou 1. 35 Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le dispositif de mesure de vitesse de rotation par comptage selon l'invention fait intervenir un capteur 12 fixé au palier 4 par une patte 13. Ce capteur est orienté vers la place occupée par l'anneau formé des dents 10 séparées par les créneaux 11 lorsque l'écrou 1 40 est serré pour maintenir la bague intérieure 2 de roulement. Il s'agit d'un capteur capacitif pouvant mesurer la variation de densité dans un champ d'espace déterminé En l'occurrence les dimensions de son champ de mesure correspondent sensiblement à un tronçon de l'anneau formé des dents 10 et des créneaux 11 sur une longueur circonférentielle du même ordre que les dimensions caractéristiques de la section de cet anneau. Ce capteur est donc capable d'envoyer à un système de traitement des mesures de densité permettant de compter les passages de structures occupant plus ou moins de place dans la section de l'anneau lorsque l'écrou tourne avec l'arbre. Ces structures sont les motifs réalisés par les dents 10 de serrage. L'écrou 1 selon l'invention, tel qu'il est décrit ci-après, étant réalisé de telle manière que ces structures se répartissent de manière périodique sur la circonférence, l'homme du métier sait appliquer un traitement du signal adéquat aux mesures du capteur capacitif pour retrouver la vitesse de rotation de l'arbre. Par ailleurs, cet exemple illustre la possibilité d'atteindre les objectifs concernant la précision des mesures de vitesse. Pour un arbre tournant à environ 4000 tours par minute, les estimations faites sur la méthode de traitement des impulsions envoyées par le capteur indiquent qu'une discrétisation de la circonférence en quarante dents est nécessaire. L'écrou 1 de serrage présenté sur la figure 2 présente initialement vingt quatre dents 10, ce qui est insuffisant. Par contre, en pratiquant un évidement 14 par dent comme c'est illustré sur la figure 2, on obtient cinquante segments 15 non évidés, ce qui permet d'atteindre la précision voulue pour les mesures variation de vitesse autour des 4000 tours par minute. L'effort de serrage appliqué à l'écrou 1 doit être relativement important pour qu'il maintienne la bague intérieure 2 de roulement en position, compte tenu des contraintes transmises entre le palier 4 et l'arbre 5 de la turbomachine Pour que les dents soient capables de transmettre le couple de serrage, d'une part la section de l'anneau qu'elles forment doit être suffisante, d'autre part leur longueur dans la direction circonférentielle doit être importante. Dans un exemple de réalisation, présenté sur la figure 2, la longueur circonférentielle des dents 10 est plus de deux fois supérieure à celle des créneaux qui les séparent. Un évidement de matière sous la forme d'une échancrure maintenant une surface constante de la section transversale à l'anneau est centré au milieu de chaque dent 10 dans le sens circonférentiel. Dans cet exemple, l'échancrure est réalisée sur la totalité de deux faces externes de la dent 10.40 La longueur dans le sens circonférentiel de cet évidement 14 est sensiblement égale à celle des créneaux 11 séparant les dents. De cette manière, les segments non évidés 15 des dents séparés par les évidements 14 sont tous de même longueur et régulièrement espacés sur la circonférence. La section de l'évidement 14 est telle que, d'une part la section restante de matière dans la dent 10 est suffisante au niveau de l'évidement 14 pour transmettre le couple de serrage, d'autre part l'enlèvement de matière est suffisant pour que le capteur capacitif 12 détecte une variation de densité. Ainsi, cet exemple de réalisation de l'écrou permet de réaliser, avec les segments non évidés 15 de dents, un nombre de repères de comptage par le capteur 12 deux fois plus important que le nombre de dents 10 et donc d'améliorer d'autant la précision des mesures de vitesse. Une variante de réalisation de l'invention est présentée sur la figure 3 pour le cas où la longueur circonférentielle des dents 10 est nettement supérieure à deux fois celle des créneaux 11 qui les séparent. Deux évidements 16 de matière ayant la même forme que celui 14 présenté dans l'exemple précédent sont réalisés, toujours de même longueur que les créneaux 11. Ils sont en outre positionnés symétriquement par rapport au milieu de chaque dent 10 dans le sens circonférentiel de telle sorte qu'ils séparent trois segments de dent non évidés 17 de longueurs égales. Cette variante multiplie par trois par rapport au nombre de dents le nombre de repères régulièrement espacés sur la circonférence pour le comptage par le capteur 12. De manière plus générale encore, il faut prendre en compte une longueur minimale pour qu'un segment non évidé soit détectable par le capteur capacitif Alors, lorsque la longueur des dents est supérieure à N fois la longueur d'un créneau plus N+1 fois cette longueur minimale, une variante de l'invention consiste à y pratiquer N évidements qui séparent N+1 segments non évidés de longueurs égales. Dans une autre variante de réalisation, illustrée sur la figure 4 mais pouvant être mise en oeuvre quelque soit le nombre d'évidements, 14 ou 16, par dent 10, une seule dent de serrage de l'écrou 1 présente un seul segment non évidé 18 ayant une section transversale de surface supérieure à celle de l'anneau définissant la section transversale de toutes les dents 10. Cela est obtenu par exemple en augmentant légèrement la hauteur de la dent sur ce segment 18. De plus, cette augmentation de section est réduite au minimum nécessaire pour que l'augmentation de matière dans le champ du capteur 12 soit détectée. Ainsi, la structure du motif des dents 10 avec les segments non évidés, 15 ou 17, et 18, reste fondamentalement périodique avec des dents 10 s'inscrivant sensiblement dans un anneau de section constante mais le segment unique 18 de plus grande section fournit un signal de calage au capteur capacitif 12. Il entre dans l'invention de réaliser un écrou 1 adapté à la mesure de vitesse à partir d'écrous existants conçus uniquement pour tenir la bague interne 2 de roulement. Un écrou selon l'invention diffère de l'état de l'art par l'existence des évidements 15, 17 et 18. Pour réaliser un écrou 1 selon l'invention, il s'agit bien sûr, en premier lieu, de vérifier que la géométrie de la couronne de dents permettra de pratiquer un nombre suffisants d'évidements pour atteindre la précision voulue dans la mesure de vitesse. Un exemple a été fourni à ce propos précédemment, en référence à la figure 2. La méthode consiste ensuite à définir d'abord le couple de serrage qui doit être appliqué pour maintenir la bague 2 et qui conditionne la section de matière minimale pour les segments 14 ou 16 correspondant aux évidements. Ensuite, on définit la taille de l'évidement 14 ou 16 respectant cette contrainte suffisante en fonction de la sensibilité du capteur 12 utilisé pour le comptage. Enfin, on usine, préférentiellement par fraisage, les dents 10 de l'écrou existant pour réaliser les évidements 14 ou 16 ainsi définis et obtenir les segments 15 ou 17 régulièrement espacés. La réalisation du segment de calage 18 peut être obtenue en diminuant légèrement la section de l'ensemble des dents de l'écrou initial sauf à l'endroit où doit se trouver ledit segment 18. Cette invention est utilisée par exemple sur une machine d'essai de perte d'aube telle que représentée sur la figure 5. L'arbre 5 du module moteur 19 est fixé en amont à un premier palier 20 et en aval à un deuxième palier 21. Les termes amont et aval s'entendent ici par rapport à l'orientation du moteur s'il était dans des conditions opérationnelles avec un écoulement incident. L'arbre 5 du moteur est couplé en aval du deuxième palier 21 à un système 22 qui entraine le moteur 19 à un régime choisi. Dans cette utilisation, un premier dispositif de mesure 23 selon l'invention est installé sur le palier amont 20 et un deuxième dispositif de mesure 24 sur le palier aval 21. De préférence, les écrous 1 fixés à l'arbre entrant dans chacun des dispositifs de mesure, 23 et 24, comportent le segment de dent unique de calage 18 ayant une section supérieure aux autres. L'installation comporte également des moyens de calcul avec les modules aptes à traiter les données des capteurs capacitifs 12 pour calculer une vitesse instantanée de l'arbre 5 au niveau de chaque palier, 20 et 21, et avec les modules aptes à calculer le couple de torsion transmis à l'arbre 5 à partir des déphasages entre ces mesures de vitesse. L'exemple de mise en oeuvre de l'invention présenté ne saurait être limitatif 5 de ses conditions d'utilisation. Tout d'abord, l'homme du métier saura adapter ce type de mesure de vitesse de rotation d'un arbre de turbomachine avec un écrou de serrage de bague de roulement au passage d'un palier tenant cet arbre à tout autre type d'installation d'essais ou opérationnelle. Par ailleurs, il entre dans l'invention d'utiliser ce type d'écrou pour fixer une 10 pièce tournant avec l'arbre, s'il est utile d'effectuer des mesures de vitesse de rotation à cet emplacement. REVENDICATIONS1. Ecrou (1) d'axe déterminé, destiné à être vissé autour d'un arbre (5) tournant en vue de solidariser une pièce (2) avec ledit arbre et à coopérer avec un capteur (12) fixe de quantité de matière dans un volume déterminé pour mesurer la vitesse de rotation de l'arbre, comportant une couronne de dents (10) séparées par des créneaux (11), agencées de façon à coopérer avec un outil de serrage s'insérant dans au moins un créneau (11), ledit écrou étant caractérisé en ce qu'au moins une partie des dents (10) comportent au moins un évidement (14, 16) préservant la fonction de serrage de la couronne de dents, lesdits évidements formant avec les créneaux séparant les dents autant d'intervalles de déficit de matière destinés à être détectés par ledit capteur (12) en passant dans son volume de détection lors de la rotation de l'écrou. 2. Ecrou (1) selon la revendication précédente dans lequel chaque dent (10) comportant au moins un évidement (14, 16), les intervalles formés des créneaux et des évidements sont de longueurs circonférentielles égales et sont périodiquement répartis en azimut autour de l'axe de l'écrou. 3. Ecrou selon la revendication précédente dans lequel l'évidement (14, 16) de la dent (10) a une section transversale constante sur sa longueur dans la direction circonférentielle. 4. Ecrou selon la revendication 3 dans lequel l'évidement (14, 16) est un créneau pratiqué sur au moins une des faces longitudinales de la dent (10) dans la direction circonférentielle. 5. Ecrou selon l'une des revendications précédentes dans lequel, le corps (6) de l'écrou (1) étant la partie agencée de façon à réaliser l'interface avec l'arbre et la pièce à solidariser, les dents (10) sont positionnées dans le prolongement radial du corps (6). 6. Ecrou selon l'une des revendications précédentes dans lequel tous les segments (18) sans évidement sur les dents (10) ont la même forme, sauf un présentant une augmentation de volume par rapport aux autres, apte à être détectée par un capteur de quantité de matière. 35 40 7. Dispositif de mesure de vitesse de rotation, par rapport à une installation, d'un arbre (5) lié à un rotor (19) de machine tournante, comprenant un écrou (1) selon l'une des revendications précédentes en position sur l'arbre pour lui solidariser la pièce (2), et un capteur (12) fixe par rapport à l'installation, dont le volume de détection est positionné de façon à voir passer les dents lors de la rotation de l'écrou (1) avec l'arbre (5) et apte à détecter les variations de quantité de matière induites par les intervalles correspondant aux évidements et aux créneaux. 8. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel la pièce (2) serrée par l'écrou est une bague intérieure (2) de roulement de l'arbre (5) dans un palier (4). 9. Dispositif de mesure de couple de torsion imprimé par un rotor (19) de turbomachine sur l'arbre (5) le traversant comprenant un premier dispositif de mesure de vitesse (23) selon la revendication précédente sur l'arbre (5) en amont du rotor (19) et un deuxième dispositif (24) sur l'arbre selon la revendication précédente en aval du rotor (19). 10.Procédé de fabrication d'un écrou (1) selon l'une des revendications 2 à 5 destiné à coopérer avec un capteur (12) apte à détecter des variations de quantité de matière dans un volume déterminé, en vue de mesurer la vitesse de rotation de l'écrou, comprenant les étapes suivantes : choix d'un écrou destiné à être vissé autour d'un arbre mobile en rotation autour de son axe en vue de solidariser une pièce avec ledit arbre et comportant une série de dents (10) correspondant sensiblement à des tronçons d'un anneau de section constante autour de l'axe de l'écrou (1), lesdites dents formant avec les créneaux (11) qui les séparent un motif périodique en azimut autour de l'axe et étant agencées de façon à coopérer avec un outil de serrage s'insérant dans au moins un créneau (11) ; détermination de la taille maximale des évidements (14, 16) pour préserver la fonction de serrage ; détermination de la forme des évidements (14, 16) pour obtenir les intervalles à détecter par le capteur en supplément des créneaux entre les dents;- usinage, préférentiellement par fraisage, des dents (10) pour réaliser les évidements (14, 16).